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        船舶零件的參數(shù)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析

        2015-12-04 07:07:16曹麗娜李曉芳
        艦船科學(xué)技術(shù) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:齒廓漸開線齒輪

        曹麗娜,李曉芳

        (山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院,山東 淄博256414)

        0 引 言

        近年來隨著市場節(jié)奏的加快,產(chǎn)品周期的縮短,零件的快速設(shè)計制造技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面,設(shè)計工程師需要快速準(zhǔn)確地完成產(chǎn)品零件的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計,另一方面,需要借助先進(jìn)的CAM 系統(tǒng)完成產(chǎn)品的快速制造。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中,有很多復(fù)雜零件都是由設(shè)計工程師憑借其豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)完成,難以實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)交互過程,這樣的設(shè)計過程往往會導(dǎo)致整個設(shè)計周期的拉長。并且,企業(yè)為了快速響應(yīng)市場需要,很多時候需要對其產(chǎn)品進(jìn)行改型設(shè)計,對上一產(chǎn)品進(jìn)行完善。改型工作若重新設(shè)計,會導(dǎo)致大量的重復(fù)性工作,使產(chǎn)品周期變長。

        近年來,產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計已成為研究熱點(diǎn)。產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計,是利用三維CAD 系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行建模,建模過程中,將零件的所有參數(shù)作為設(shè)計變量,通過建立這些變量的相關(guān)性,來完成零件的建模,使得建立的模型外形特征相互關(guān)聯(lián),在滿足設(shè)計要求的情況下,也滿足加工工藝流程。這樣的產(chǎn)品完全由尺寸驅(qū)動,若需要修改零件,只需對相應(yīng)的尺寸驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行修改,而無需考慮其他特征變化,利用三維軟件的重生成功能,快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的新設(shè)計。同時,參數(shù)化設(shè)計采用的編程式的建模方法,可對諸如齒輪、凸輪等復(fù)雜且精度要求高的零件進(jìn)行精確地建模,減小產(chǎn)品的設(shè)計誤差、加工誤差以及裝配誤差,使得加工出來的產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能。目前該技術(shù)在國內(nèi)已有較多應(yīng)用,并且取得了較好的應(yīng)用效果。俞高紅等[1]采用UG 對偏心齒輪-非圓齒輪后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)進(jìn)行的參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用研究,并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速裝配功能。許暉等[2]采用SolidWorks的COM 技術(shù)對魚雷結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用程序進(jìn)行了開發(fā),取得了較好的應(yīng)用效果。龔春全等[3]基于三維CAD 設(shè)計系統(tǒng)proe 對某大功率摩擦同步離合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計研究,同時將先進(jìn)的動力學(xué)分析軟件Adams 集成到該環(huán)境,很好地實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計到分析的一體化流程。張衛(wèi)等[4]對插裝閥塊表面元件布局參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計,并對其進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了插裝閥塊的高效設(shè)計以及改善了該零件的加工工藝性。

        對于復(fù)雜零件的設(shè)計,參數(shù)化設(shè)計更能體現(xiàn)其設(shè)計的優(yōu)越性。如汽輪機(jī)葉片,是一個對光順性要求極高的零件結(jié)構(gòu),任何設(shè)計誤差都會降低該零件的加工精度,使得加工出來的零件對其軸心產(chǎn)生偏心。由于葉片結(jié)構(gòu)在工作過程中會進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動,由偏心產(chǎn)生的離心力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的劇烈振動,所以對這樣的零件采用參數(shù)化設(shè)計概念,可以有效避免這一問題。于紅英等[5]采用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)、VC++語言、UG 對汽輪機(jī)葉片進(jìn)行了研究,得到了葉片參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵步驟,這樣的方法不僅設(shè)計過程高效,得到的零件結(jié)構(gòu)精度也比較高。

        對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計的另一個思路就是直接基于有限元軟件(如Ansys),通過采用其提供的二次開發(fā)功能,對零件參數(shù)進(jìn)行描述。如強(qiáng)兆新[6]采用Ansys 軟件以apdl 命令流的形式,對船舶三維模型進(jìn)行了快速生成研究,實(shí)現(xiàn)了在CAE 系統(tǒng)中建立產(chǎn)品三維模型。因此,參數(shù)化設(shè)計能夠大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,還能有效改善零件的設(shè)計精度。本文對某船舶零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計研究,以其中復(fù)雜的齒輪結(jié)構(gòu)為例,給出了其關(guān)鍵設(shè)計過程,并實(shí)現(xiàn)了一體化的結(jié)構(gòu)分析過程。

        1 漸開線原理

        漸開線展開原理可大致描述為:生成先繞著基圓做無滑動的滾動,起始點(diǎn)產(chǎn)生的軌跡則為漸開線,該漸開線即為齒輪結(jié)構(gòu)齒廓。圖1所示,αk為齒輪結(jié)構(gòu)壓力角,本文研究對象為一標(biāo)準(zhǔn)齒輪,取壓力角為20°。rb為齒輪結(jié)構(gòu)基圓半徑。齒輪所有參數(shù)見表1。

        圖1 漸開線展開原理Fig.1 Involute unfold principle

        表1 齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the gear

        齒輪分度圓半徑為:

        齒頂圓半徑為:

        基圓半徑為:

        齒根圓半徑為:

        采用UG的function 功能建立上述表達(dá)式,以便描述齒輪選型參數(shù)與其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。在UG 環(huán)境中設(shè)置變量a,b,并將a 賦值為0,b 賦值為360,表示生成一整圈漸開線。對于角度θ,則齒廓運(yùn)動參數(shù)可描述為:

        式中,rb為基圓半徑;θ 為角度值;t 為在UG 環(huán)境中設(shè)置的遍歷參數(shù);xt,yt,zt分別為齒輪齒廓部分三維坐標(biāo)。采用UG的樣條線功能,對齒廓部分進(jìn)行繪制,采用方程驅(qū)動的形式,則最終齒廓部分曲線如圖2所示(左為漸開線,右為齒槽部分)。

        圖2 漸開線Fig.2 Involute

        將生成的齒廓作為拉伸特征的草圖截面,采用拉伸命令對齒寬進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計,單個齒廓拉伸體如圖3(a)所示。齒輪齒數(shù)采用圓周陣列功能進(jìn)行參數(shù)化。對于齒圈以及輪轂部分,采樣拉伸切除命令進(jìn)行生成,在采用該命令前,首先采用面生成功能抽取齒輪中面,其父特征為齒輪兩側(cè)面,實(shí)現(xiàn)面的參數(shù)化過程。同時,基于該面進(jìn)行草圖繪制,通過該草圖尺寸實(shí)現(xiàn)齒圈與輪轂部分的參數(shù)化過程。并將拉伸切除的初始拉伸量作為設(shè)計變量,該值即為輪輻部分的厚度。最終齒輪幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計結(jié)果如圖3(b)所示。

        圖3 齒輪生成Fig.3 Gear generation

        2 結(jié)構(gòu)有限元分析

        為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的并行過程,將CAE 技術(shù)融合在產(chǎn)品設(shè)計過程中,能夠使得設(shè)計人員在設(shè)計階段就能了解產(chǎn)品性能。本文采用有限元法對齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。將UG 產(chǎn)生的齒輪結(jié)構(gòu)以parasolid 格式交換至Ansys 環(huán)境,并將其簡化為平面問題。通過離散子程序,將齒輪幾何結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有限元模型。為了模擬齒輪轉(zhuǎn)動嚙合過程,首先采用reb2 單元對輪轂表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合,reb2 單元的主點(diǎn)采用幾何中心的方法生成。并對主點(diǎn)以spc 方式進(jìn)行約束,有限元約束邊界如圖4所示。

        圖4 約束邊界條件Fig.4 Constraint boundary conditions

        齒輪嚙合過程中,主要為齒廓部分的線接觸,本文在對齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載時,將嚙合力分別投射至水平與垂直方向,根據(jù)齒廓不同部位漸開線切線方向進(jìn)行轉(zhuǎn)化。載荷施加如圖5所示。

        圖5 載荷Fig.5 Contact load

        齒輪結(jié)構(gòu)有限元模型如圖6所示,為了使得有限元計算獲得較好的精度,本文取單元邊界尺寸為1 mm,則生成的有限元模型包含網(wǎng)格數(shù)量為225 641,單元數(shù)量為665 232。

        圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

        有限元模型的參數(shù)化采用流程樹法進(jìn)行控制,該有限元模型流程樹如圖7所示。其中screen 關(guān)鍵字定義齒輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力的輸出,design 集合用于存放齒輪結(jié)構(gòu)的有限元模型,rigid 集合用于存放reb2 單元,reb2 單元的主點(diǎn)通過spc 集合進(jìn)行約束6個自由度。Force 集合用于控制齒輪嚙合力。Load step 為有限元過程的載荷步,將其定義為linear static,并引用spc 與force 集合。Steel 集合為齒輪結(jié)構(gòu)的材料屬性,通過properity的design 關(guān)鍵字與design 集合進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了有限元模型的參數(shù)化過程。

        圖7 模型結(jié)構(gòu)Fig.7 Architecture of the finite element model

        定義radioss 為該有限元模型的求解器,將有限元模型輸出為fem 格式,并遞交radioss。通過求解,返回的齒輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖8所示。結(jié)果表明,齒輪結(jié)構(gòu)在嚙合處應(yīng)力分布較為嚴(yán)重,由于齒輪輪齒類似于一懸臂梁,齒根在工作時為一危險截面。

        圖8 接觸應(yīng)力Fig.8 Contact stress

        3 結(jié) 語

        1)建立了某船用齒輪結(jié)構(gòu)齒廓部分漸開線運(yùn)動方程,并基于三維CAD 系統(tǒng)UG 實(shí)現(xiàn)了齒輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了齒輪結(jié)構(gòu)的快速生成,得到了該齒輪精確地設(shè)計模型。

        2)基于有限元環(huán)境,對幾何結(jié)構(gòu)與載荷分別建立相互區(qū)別id 號,分別相互引用,實(shí)現(xiàn)了齒輪結(jié)構(gòu)有限元分析過程的參數(shù)化,快速得到了齒輪結(jié)構(gòu)工作過程應(yīng)力分布云圖,為設(shè)計人員提供參考。

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