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5 齿轮的应力分析
齿轮实体模型创建完成后，可以利用SimulationXpress进行应力、应变分析，这样可以更加直观地分析齿轮的受力情况。SimlationXpress采用“向导”方式引导操作者完成有限元分析的参数设定。分析步骤如下：①添加夹具；②添加载荷；③选择材料；④运行；⑤输出结果。此外，SimulationXpress还提供了优化功能。下面以小齿轮为实例进行应力应变分析和优化设计。
5.1 添加夹具
在“工具”菜单中找到SimulationXpress，打开以后出现引导对话框，点击“选择”选择公制，也可跳过这步，直接点击“下一步”系统默认尺寸为公制。点击“添加夹具”选择齿轮键槽面为约束。如图6为整体效果图，图7为夹具位置的局部放大图。  图6 添加夹具  图7 夹具位置放大图
5.2 添加载荷
点击“下一步”选择“添加力”，按照计算出齿轮作用力为2228.72N。选择齿轮的一个齿面为载荷面。因为齿轮啮合为线接触，可以预先在齿面上靠近分度圆处绘制一个很窄的面来代替线。计算可知分度圆半径为95mm，如图8所示施加载荷。  图8 施加载荷
5.3 选择材料
选择材料为合金钢，具体参数如图9所示。  图9 合金钢参数
5.4 运行
SimulationXpress是基于有限元的分析，网格密度越高则运算精度越高，相应地对硬件要求越高和运行时间越长。可以直接点击“运行模型”，也可以先点击“更改设置”后更改网格密度，再点击“运行模型”。网格信息如图10所示。  图10 网格信息
4.5 结果分析
SimulationXpress分析结果有应力图、位移图、安全系数图，运行后可直接查阅结果，结果可以显示成动画保存为AVI格式。在查阅结果后可以直接生成报表，报表可以是Word文档与eDrawings文件格式。Word文档的报表形式给出了齿轮的详尽参数与图表，eDrawings文件给出了动态分析图表。取疲劳弯曲疲劳强度σFlim=600MPa，安全系数SF=1.5，由
[σF]=σFlim/SF=400MPa
由应力分析图11可知齿轮所受最大应力为277.698MPa，满足强度要求。  图11 小齿轮应力云图
5.6 优化过程
以齿宽B作为设计变量，齿轮安全系数作为状态变量，齿轮的质量B为目标函数。确定齿轮1的宽度范围是5mm≤B≤15mm。齿轮最小安全系数选定为1.5，所以其状态变量的范围是SF≥1.5。
优化的数学模型可建立为：
Min Wt（B）
B=[SF]
SF≥1.5
5mm≤B≤15mm
SimulationXpress提供的优化设计算例将在指定的范围内改变模型尺寸，以最小质量产生模型且约束值为最优，可以选择最小安全系数、最大应力或最大位移定义约束。这里选择了最小安全系数为约束，约束值为1.5，其数学模型如上。在设定了相关参数后就可对齿轮进行加载求解。运行后可知齿轮1的安全系数为1.95，超出最小安全系数，符合设计要求，可以进行优化。
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基于SolidWorks的圆柱齿轮仿真分析及优化设计(2)
时间:2014-08-21 10:42来源:万方数据 作者: 点击:
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