關于ANSYS的開題報告

　　畢業設計（論文）開題報告

　　1、課題的目的及意義（含國內外的研究現狀分析或設計方案比較、選型分析等）

　　1.1研究目的

　　減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速和增大轉矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器。選用減速器時應根據工作機的選用條件，技術參數，動力機的性能，經濟性等因素，比較不同類型、品種減速器的外廓尺寸，傳動效率，承載能力，質量，價格等，選擇最適合的減速器。減速器是一種相對精密的機械，使用它的目的是降低轉速，增加轉矩。 起重機中具有能夠實現前大梁繞大梁鉸點作俯仰運動的俯仰機構。俯仰驅動機構重要包括以下主要零部件：電動機，制動器，減速器，聯軸器 。其工作機理是電機通過聯軸器, 經減速器等傳動裝置驅動驅動鋼絲繩卷筒進行卷繞動作實現前大梁的俯仰運動。俯仰鋼絲繩從卷筒, 經過人字架頂部滑輪組和前伸臂架滑輪組之間的卷繞系統, 通過卷揚機構來實現臂架的俯仰動作。

　　本研究的目的是通過對已有設計方案的觀察，對該俯仰減速器的關鍵零部件如軸、齒輪、箱體等進行靜強度分析，并進行對減速器運行時內部動態激勵的計算，在嚴酷的工作環境下，為避免由于外界和內部的激勵引起共振，有必要對減速器進行動力學分析，了解減速器的前幾階固有頻率和工況下的瞬態響應。根據客戶所給出的工作條件以及減速器參數進行分析計算，最終得出結果，將結果與客戶的要求相比對，檢驗其是否滿足要求。

　　在現今的機械產品設計工作中，計算機技術可以在一定程度上模擬真實的實驗，這樣就可以節約時間和資源。因此本研究中應用AUTOCAD軟件進行工程圖繪制，UG軟件進行三維模型的建立，ANSYS軟件進行動力學分析。

　　1.2研究意義

　　本減速器的作用為受到電動機的驅動經減速器等傳動裝置驅動鋼絲繩卷筒進行卷繞動作實現前大梁的俯仰運動。題目所研究的減速器在俯仰機構中起關鍵的傳動作用，電動機通過減速器傳動才得以實現大梁的俯仰運動。因此要求該減速器要具有普通減速器的傳動特點，同時還要具有傳動平穩，易于維護，拆裝較簡易，從而方便將來的改進。做好對該減速器的分析研究有助于提高起重機的性能，使其工作更具效率，提升安全性，是我國重型機械更好的與國際接軌，同時也能滿足本課題中客戶的需求，使其具有更大的經濟效益。

　　重慶大學本科學生畢業設計（論文）附件附件B：開題報告

　　1.3國內外的研究現狀

　　目前國內外對齒輪減速器的研究已經日趨完善，研究的問題也很全面，研究手段由于計算機技術的應用也愈發成熟。眾多專家學者進行了深入細致的研究，概括幾點如下。

　　1.3.1減速器的三維實體建模與分析

　　在現如今的機械產品設計早已結束粗獷型時代，計算機技術的應用使得研發的效率最大化。利用UG軟件等可以快速的完成對減速器的三維實體建模，并進行一定的運動仿真，因此不少學者進行了相關的研究。在三維實體模型建立的方面，張燁（2002）利用UG軟件的最終版UG NX的MOSWLING模塊對減速器進行了三維實體造型，主要零件包括軸、齒輪、齒輪軸、下箱體、上箱體及相應的裝配。最后在UG的MOTION模塊中對裝配模型進行了運動仿真[1]。

　　李民等（20XX）利用另一種CAD軟件ProE對減速器進行了三維建模，由于齒輪輪齒面的三維造型準確與否會直接影響著運動仿真和有限元等方面的分析,所以準確的、快速的建模顯得十分重要，于是文中主張在ProE環境中進行漸開線圓柱齒輪的參數化設計，由此可以得到精確模型，文中研究的的漸開線標準直齒輪的主要參數包括齒數z，模數m，壓力角，尺寬b，根據漸開線的形成過程，可得在ProE中漸開線的數學方Y=程：，以齒數和模數作為設計變量，通過與其他參數間的關系構建齒輪的參數化模型，箱體和箱蓋的設計比較復雜,因此在對此類零件進行三維建模的過程中,總的原則是先主后次、先簡單后復雜、先拉伸后切除，建模完成后將建立好的模型直接導入ANSYS進行運動仿真[2]。

　　王秀山等（20XX）對ProE進行二次開發，實現了齒輪的參數化最優化建模，利用ADAMS 進行運動學仿真，利用ANSYS 進行有限元分析，形成了齒輪的閉環設計，整合了以上3 個軟件后所建立的虛擬樣機環境，不僅建立了單個輪齒的柔性體模型，而且可以仿真計算出減速器的運動學、動力學和應力應變等參數[3]。王鴻云等（20XX）利用UG建立了減速器各個零部件的三維模型，然后通過UG的裝配建模功能采用自下而上的裝配方法對減速器進行虛擬裝配，先完成由散亂的零件向子裝配體的裝配，再將各個子裝配體和相關零件組裝成產品模型，當零件裝配為系統之后，常常需要對機械作運動分析，檢查運動軌跡和運動干涉等，進行三維動態仿真，利用UG的運動分析模塊(Motion) 可在屏幕上模擬真實的機構運動[4]。張學昌等（2000）采用面向對象的方法對齒輪減速器的各個部件進行封裝，它包括齒輪、軸和箱體3 個部分, 這3個部分分別對應3個對象—— 齒輪類、軸類和箱體類；而每一個對象又包括許多子對象，如齒輪類包括直齒輪類、斜齒輪類和圓錐齒輪類.，通過Microsof t VisualC+ + 語言的類來實現將減速器封裝成一個對象[5]。

　　各種CAD /CAM軟件的應用實現了齒輪的參數化建模、完成了減速箱的裝配以及運動仿真。計算機技術的應用使仿真結果接近工程實際，可以減少設計者對物理樣機的依賴，節省開發時間和成本。

　　1.3.2減速器中關鍵零部件的靜力學分析

　　減速器作為機器的重要組成部分，主要用于將原動機的運動和動力傳遞給工作機，并改變原動機運動的速度和形式、力或力矩的大小與方向，使之適應各種工作機的需要。通過對減速器各個零部件的靜力學分析可以對減速器的結構優化提供參考依據，也對研究零部件的失效有重要意義。在齒輪的靜力學研究方面，陳東海等（20XX）基于ANSYS建立了漸開線斜齒輪有限元模型，確定斜齒輪靜力學有限元分析的邊界條件，討論了主動輪在不同周向力矩作用下主動輪和從動輪的靜力學特性，結果表明，主動輪與從動輪應力較大區域主要集中在嚙合齒面和齒根區域，主動輪位移較大區域主要在非嚙合齒面上，而從動輪位移較大區域主要在嚙合齒面上，其中，最大接觸應力總是出現在輪齒嚙合線上，且隨著周向力矩的增大，主動輪與從動輪應力增大，位移也相應增大[6]。

　　常立（20XX）通過ABAQUS 建立了軸承—齒輪系統的靜態有限元模型，該有限元模型以六面體單元、四邊形殼單元為主，還有少部分的連接單元、彈簧阻尼單元、剛性單元。利用Hypermesh統計該模型有XX1 850個單元，132 XX3個節點，由于靜態分析的特殊性，在靜態分析時不用考慮齒輪的`嚙合，軸承的內外圈的關系，所以在靜態分析時就不考慮齒輪的嚙合時輪齒的嚙合問題，軸承的內圈和外圈與其他相連結構通過實體單元連為一體，之后建立坐標系，模擬3種工況并得出應力云圖[7]。趙雨旸（2009）,應用有限元分析軟件ANSYS建立各齒輪的有限元模型，根據變速器的結構與機械性能的要求，在有限元法的基礎上，寫出線性方程的等效方程求解出各節點的位移矢量，由彈性力學中給出的應變和位移及應變和應力的關系,得出單元節點的應變和應力表達式，再通過上述表達式求解出各節點的應力，根據求出的節點位移和應力得出靜態特性分析的結果[8]。

　　在減速器軸的靜力學研究方面，龐興華（20XX）討論了CAD環境下減速器軸的強度設計問題，減速器軸從結構上來說一般為階梯狀的圓軸，其支撐主要是懸臂和簡支兩種形式，其受力主要有扭矩、彎矩、軸向力、剪切力等，根據支撐情況得出受力簡圖，用截面法確定軸截面上的內力，于是得到了截面上的力矩，由于力矩是位移矢量的函數，所以可得截面彎矩圖，根據機械設計的知識，計算任意界面的彎曲應力并檢驗軸的危險截面，基于以上分析，通過Visual c++編程平臺開發減速器軸強度設計的獨立程序并完成研究[9]。

　　齊秀飛等（20XX）在ProE軟件中建立齒輪軸三維實體模型，利用ANYSY 軟件與ProE 軟件的專用直接接口, 用這種方法導入模型并在ANSYS 軟件中進行了有限元分析，從理論上得到了齒輪軸在工作時輪齒靠近鍵槽部分的應變最大, 易磨損、破損，對于網格的劃分，齒輪軸齒面部分有漸開線柱面，直接利用ANSYS 的自由網格劃分功能對齒輪軸劃分網格，多鍵槽、軸肩應力集中處進行網格細化。給齒輪軸施加約束，對鍵槽側面施加順時針的轉矩，同時給齒輪以逆時針的等大轉矩[XX]。王革新等（20XX）用有限元分析方法，對變速器第一軸的靜力學特性進行了理論計算和研究，通過建立有限元方程，用有限元分析法求出結構的節點位移及節點應力，得到結構靜態特性分析結果，軸系模型的建立主要采用ANSYS的APDL語言進行參數化建模，采用自由網格形式劃分齒輪，各齒輪用實體單元(Solid45)進行構造，生成了齒輪的有限元模型，對軸施加載荷和約束，采用實體塊單元SOLID45，進行結構離散，在進行有限元分析時, 一軸的花鍵部位約束3個方向的自由度，箱體支撐的軸承部位約束2個方向的自由度UX、UY，載荷加在與中間軸嚙合的齒上，經過自由網格后，共生成16713個節點，80 282個單元，通過ANSYS的計算得到軸的應力云圖和位移云圖[XX]。

　　高素荷等（20XX）探討了應用有限單元法的三維實體單元分析齒輪軸靜強度時應注意的問題，首先要選用合理的力學模型，在進行網格劃分時要注意兩種方法的優缺點再決定選用，其次是邊界條件的合理確定，第三是對危險點的強度校核[XX]。在箱體的應力分析方面，陳義東等（20XX）用ProE軟件建模, 采用有限元法建立中心傳動齒輪箱有限元靜力學分析模型，用ANSYS WorkbenchXX.0 軟件對箱體及其內部傳動結構進行分析，得到位移和應力分布以及箱體的結構強度、受力狀況[13]。趙麗娟等（20XX）以某XX00kW型礦用減速器箱體為研究對象,應用有限元分析軟件ANSYS 建立了箱體參數化的三維實體模型,并對其進行有限元分析，并以箱體質量最小為目標函數，利用ANSYS 的優化設計模塊和參數化程序語言APDL 對箱體進行了優化設計[14]。

　　陳雪菊等基于有限元分析與動態仿真技術，利用ANSYS 軟件對減速機箱體進行有限元建模，并對減速機箱體進行了靜力學分析，通過對箱體的等效應力云圖和向量位移云圖的分析，從靜力學的角度為減速機箱體的改進提供了相關的分析數據[15]。李光明等（1996）對減速器箱體進行了靜強度試驗研究，本試驗主要解決減速箱體一端的吊環孔及附近區域的應力數值及進行強度計算，模擬減速箱的實際工作條件，采用電阻應變測試技術進行實物的檢測，較精確地提供試驗數據，供減速箱設計的改進做參考以及考核減速箱體結構的合理性[16]。

　　1.3.3 減速器的動力學仿真分析

　　關于齒輪減速器的動力學仿真與分析，孫中平（20XX）基于三維造型設計軟件Solidworks，構建了單級齒輪減速器的三維參數化模型，并將其導入機械系統動力學仿真軟件ADAMS中，在ADAMS 中建立減速器的虛擬樣機模型，定義各部件的質量、轉動慣量等屬性，對各部件間施加約束，根據已知的輸入軸轉速輸出軸恒定負載轉矩，確定仿真時間、步長，最后得到系統的特性曲線[17]。李亞強等（20XX）將solidworks20XX 軟件建立好的三維模型導入ADAMS20XX當中，為簡化模型,只考慮四個齒輪和三個軸，將齒輪、齒輪軸均定義為剛體，材料為steel，忽略相互之間的彈性變形，然后在各部件間施加約束 ，在ADAMS/ View 模塊中輸入仿真時間為5 s，仿真工作步長為step = 50，得到仿真結果[18]

劉愛敏等（20XX）首先利用Pro/E軟件對齒輪減速器進行三維建模,然后采用ADAMS軟件對其進行動力學仿真,并將仿真結果與理論計算值進行比較,驗證了動力學仿真的正確性，該方法極大地縮短了減速器的研發周期,降低了產品生產成本,對減速器企業提高設計效率和產品質量具有重要的指導意義[19]。

　　徐銘宇等（20XX），應用齒輪三維動力接觸有限元分析程序計算了齒輪嚙合時變剛度激勵、誤差激勵和嚙合沖擊激勵，對減 速器進行了運動仿真分析、模態分析和動態響應分析，得出各構件的轉速曲線、減速器的固有頻率以及箱體表面的振動位移、振動速度和振動加速度曲線[20]。

　　關于非線性動力學特性的分析，蘇程等（20XX）綜合考慮齒側間隙、時變嚙合剛度、綜合嚙合誤差等因素，忽略傳動軸的橫向，和軸向彈性變形以及支承系統的彈性變形，采用集中質量法建立齒輪副扭轉振動分析模型，利用變步長Runge－Kuta法對單自由度齒輪系統運動微分方程進行了數值求解，給出了系統隨參數變化的分岔圖，并結合相平面、POINCARE映射、動載荷歷程、以及FFT頻譜分析了阻尼、剛度、激勵頻率變化時系統復雜的動態響應 [21]。

　　張志強等(20XX)研究了移動基圓變齒厚齒輪，利用ProE建立參數化的移動基圓變齒厚直齒輪實體模型，用ADAMS中的Impact 函數來計算接觸力，輪齒碰撞所引起的沖擊力，可以作為兩個變曲率 半徑柱體撞擊問題，解決此問題可以直接從Hertz 靜力彈性接觸理論中得到，利用動力學仿真軟件ADAMS 對移動基圓變齒厚直齒輪進行動力學分析，得到其嚙合力曲線，并將之與標準直齒輪產生齒側間隙后的嚙合力曲線相比較，證明了調隙可有效改善直齒輪嚙合動態特性[22]。

　　關于齒輪系統嚙合過程的動力學分析，楊軍（20XX）考慮了齒輪的制造、安裝誤差及齒輪系統外部載荷因素, 將齒輪輪齒等效為單側接觸彈簧，建立了齒輪系統基于輪齒嚙合過程的動力學分析模型, 并根據嚙合過程中可能出現的嚙入和嚙出沖擊、脫齒、齒面碰撞等情況, 給出了用狀態系數描述的動力學方程。在狀態空間上對齒輪嚙合過程的相軌跡進行了定性分析, 根據分析結果，說明了因齒輪誤差和輪齒脫齒產生的間隙在嚙合過程中的作用機理,以及嚙合過程出現混沌現象的成因，以輪齒嚙合周期為計算單元實現了齒對連續交替接力過程的數值計算，通過實例計算證明了理論分析的正確性，并解釋了齒輪系統產生大噪聲和重合度小于理論值的物理現象[23]。

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