陳胡興， 孫 鵬

（1.宜興技師學院機電系，江蘇 宜興 214206；2.無錫職業(yè)技術學院機械技術學院，江蘇 無錫 214121）

基于ANSYS和VB的雙圓弧齒輪應力的參數化分析軟件設計

陳胡興1， 孫 鵬2

（1.宜興技師學院機電系，江蘇 宜興 214206；2.無錫職業(yè)技術學院機械技術學院，江蘇 無錫 214121）

基于結構參數化設計思想，在有限元軟件ANSYS的基礎上嵌入APDL語言，采用VB語言開發(fā)出前后置處理軟件。該軟件采用人機對話的方式，操作十分簡便，只需輸入雙圓弧齒輪設計的基本參數，就可以進行計算分析，并且自動獲得計算結果。該軟件為設計人員提供了雙圓弧齒輪分析應力的工具，也為工程設計分析提供了一種新的思路。

雙圓弧齒輪；參數化；ANSYS；VB

雙圓弧齒輪由于其自身的幾何、運動特性，具有良好的運動性能和較高的承載能力，目前主要應用在冶金軋鋼、礦山運輸、建材水泥、交通航運、輕工榨糖、發(fā)電設備、采油煉油、化工化纖等行業(yè)。為了提高雙圓弧齒輪的承載能力和推廣它的應用，許多學者應用有限元法研究它的變形狀況和齒根應力分布。由此可見，雙圓弧齒輪傳動的使用能夠帶來很大的利益，因此開展雙圓弧齒輪的研究是非常值得的。

為了使通用的大型有限元計算軟件具備強大的功能，開發(fā)人員一般將其做得比較復雜。因此要掌握這樣的一種軟件，往往需要花很多時間學習它的操作方法和使用技巧，然而對于普通的雙圓弧齒輪設計人員，沒有必要花時間完全掌握這些軟件。本文基于參數化思想，使用ANSYS軟件中的參數化設計語言（APDL）和可視化編程語言（VB），在確定雙圓弧齒輪結構參數化的基礎上，開發(fā)了參數化建模及后處理軟件，具有一定的理論意義和工程應用價值。

1 雙圓弧齒輪傳動的應力分析

在雙圓弧齒輪的設計中，應力設計是其中的重要內容之一。齒面接觸應力和齒輪彎曲應力是應力設計中的兩類基本問題。一般齒輪的彎曲應力計算是采用著名的路易斯（Lewis）方法，把輪齒看作定截面的懸臂梁處理。然而用Lewis的簡單材料力學方法處理，與實際出入較大。有限單元法的出現，能比較好地真實地反映輪齒實際應力，如假設條件合理，能比較真實地反映輪齒實際應力。對于雙圓弧齒輪，其輪齒是一個形狀復雜的螺旋體，應用有限元方法計算，能獲得較好的結果。輪齒齒面接觸強度不夠，齒面將產生點蝕、剝落、塑性變形等損傷。為了防止齒面產生這些損傷，必須進行齒面的接觸強度計算，限制齒面的接觸應力不超過許用值。由于雙圓弧齒輪是點嚙合制，到目前為止，確定齒面接觸應力時大多是利用Hertz公式，作近似計算，計算結果有很大差別。有限元法是分析接觸問題的一種有效手段。圖1是應用有限元分析軟件按ANSYS進行分析得出的雙圓弧齒輪徑向應力云圖。

圖1 雙圓弧齒輪徑向應力云圖Fig.1 The double-arc helical gears radial stressing cloud

2 參數化分析和參數化分析軟件設計方法

參數化技術是當前CAD和CAE技術重要的研究領域之一?；谔卣鞯膮祷？梢跃_、高效地建立各種齒輪輪齒的幾何模型。特征是指面向應用的并確定幾何拓撲關系的一組幾何元素所構成的參數化形狀模型。參數化建?；驹砣鐖D2所示。

雙圓弧齒輪在傳動嚙合過程中齒形參數的變化對齒輪應力有較大的影響，因此在設計中要重點考慮齒形參數對齒輪應力的變化。軟件采用友好的人機交互界面，后臺調用有限元計算程序，計算雙圓弧齒輪的彎曲和接觸應力分析，最后通過人機交互的界面顯示結果，并可以對計算結果進行保存。軟件是在VB6.0環(huán)境下開發(fā)的，設計人員通過對話框可以選擇不同類型的齒輪和不同的計算要求（本文完成雙圓弧齒輪設計），如彎曲應力計算或接觸應力計算。在對話框中還可以選擇不同的參數確定需要分析的雙圓弧齒輪的尺寸，然后自動生成用于LOG文件，調入ANSYS中控制計算流程，最后自動在軟件界面中顯示計算結果。

圖2 幾何模型的參數化建模原理圖Fig.2 Geometric model of the parametric modeling diagram

VB中調用ANSYS采用批處理方式，其具體執(zhí)行過程如下：首先要建立該參數化模型的ANSYS批處理文檔；利用VB的交互界面得到用戶指定的參數，并生成該參數文件，保存到相應的工作目錄中；在注冊表中對ANSYS的環(huán)境進行設置；設置好ANSYS的環(huán)境變量后，就可以啟動ANSYS了，為了得知ANSYS何時運行結束，可以用以下提供的函數執(zhí)行ANSYS，該函數會在ANSYS執(zhí)行完畢后才返回；執(zhí)行后，ANSYS會彈出一個確認的對話框，必須按下RUN才可以進行下一步分析工作；ANSYS運行結束后，該函數將返回，此時可以從剛才指定的工作目錄中找到ANSYS的分析結果。

3 實例介紹

首先在設計參數界面中選擇“按設計參數輸入參數”，先選擇設計參數下的最大輸入功率、轉速及齒數比。然后齒形參數中要選擇的是法向模數、小齒輪齒數、大齒輪齒數、螺旋角、及齒寬系數。再選擇一些輔助參數有齒輪精度、小齒輪材料、大齒輪材料、潤滑油選取及齒輪使用年限。最后按“齒數及模數計算”對齒形參數進行確定。如圖3所示。

當完成齒形參數選擇后點擊界面中的“下一步”，就進入齒廓基本參數對話框，在此界面中顯示的是雙圓弧齒輪的基本齒廓及其基本參數，在該對話框中可以選擇“上一步”回到上一個對話框重新輸入基本齒輪參數。當確定后可以選擇“下一步”到應力校核界面。在應力校核界面里，當按下彎曲強度計算右邊的按鍵“ANSYS計算”框時軟件調用ANSYS運算，（要求在軟件運行的電腦里要求安裝的是ANSYS6.1版，而當沒有安裝ANSYS6.1時軟件會提示出錯信息，計算結束）然后把計算結果顯示在界面上。如圖4所示。

圖4 雙圓弧齒輪計算結果調用Fig.4 The results of the double-arc helical gears calling

4 總 結

雙圓弧齒輪的齒形參數直接影響著雙圓弧齒輪的承載能力。如果按傳統方法解決上述問題，需要做大量的試驗。這種方法需花費大量的資金，時間周期也會很長，重復性差。本文在大型有限元軟件ANSYS的基礎上，基于結構參數化設計思想，嵌入APDL語言，采用VB語言開發(fā)出前后置處理軟件。軟件采用友好的人機交互界面，后臺調用有限元計算程序，計算雙圓弧齒輪的彎曲和接觸應力分析，最后通過人機交互的界面顯示結果，并可以對計算結果進行保存。設計人員根據計算結果就可以了解不同尺寸下的雙圓弧齒輪的強度變化，方便設計選型。

［1］ 邵家輝.圓弧齒輪［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［2］ 劉炳文.精通Visual Basic 6.0（中文版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999.

［3］ 朱景梓，邵家輝，何曉庚.圓弧齒輪應力分析的理論基礎［J］.冶金設備，1982（3）：1-10.

［4］ 劉濤.精通ANSYS［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［5］ 李潤方.分階式雙圓弧齒輪有限元應力計算［J］.機械科學與技術，1994（3）：65-66.

Software Design of the Parametric Stress Analysis in Double-Arc Helical Gears Based on ANSYS and VB

CHEN Huxing1， SUN Peng2
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，YiXing Technician College，Yixing 214206，China；2.School of Mechanical Engineering，Wuxi Institute Technology，Wuxi 214121，China）

The Software is structure-based parametric design，in the finite element software ANSYS APDL language，based on the embedded，using VB language developed before and after-processing software.The software uses man-machine dialogue，the operation is very simple，just enter the basic double-arc Helical gears design parameters can be calculated and analyzed，and automatically calculate the results.The software is designed to provide a double-arc helical gears stress analysis tool for engineering design analysis provides a new way of thinking.

Double-Arc helical gears；parametric；ANSYS；VB

TH 132.416

A

1671-7880（2012）01-0060-02

2011-11-10

陳胡興（1975— ），男，江蘇宜興人，講師，碩士研究生。