基于Pro/E和LS-DYNA的諧波齒輪動力學仿真分析

任毅斌 劉文芝 趙璐 李太安 龐明思

(內蒙古工業大學機械學院,內蒙古呼和浩特 010051)

基于Pro/E和LS-DYNA的諧波齒輪動力學仿真分析

任毅斌 劉文芝 趙璐 李太安 龐明思

(內蒙古工業大學機械學院,內蒙古呼和浩特 010051)

使用Pro/E三維建模軟件和ANSYS/LS-DYNA動力學仿真軟件相結合對諧波齒輪傳動性能進行動力學仿真分析。利用Pro/E軟件對諧波齒輪的各個組件進行三維建模,將建好的杯形柔輪與剛輪剛柔耦合模型導入到ANSYS有限元軟件中,進行諧波齒輪的動態有限元接觸分析,得出柔輪在運動循環內的不同時刻,杯形柔輪整體受到的應力、變形分布規律。研究表明,利用Pro/E和ANSYS/LS-DYNA動力學軟件相結合,能夠準確對杯形柔輪進行動力學仿真計算,使得仿真結果更加貼近實際,為諧波齒輪的可靠性設計提供了基礎。

諧波齒輪 柔輪 顯示動力 接觸分析 應力應變

1 引言

諧波齒輪傳動是一種靠柔輪的彈性變形來實現運動和動力傳遞的新型傳動裝置，具有體積小、傳動比大、傳動精度高、承載能力大、回差小等優點，已經廣泛應用在航天飛機、智能機器人、雷達等領域[1-2]。柔輪作為中間撓性構件是諧波傳動裝置中運動、動力的關鍵傳動件。目前，齒輪傳動的動態特性研究成為當前齒輪研究的主要課題。

本文以徑向嚙合、雙波、內式凸輪波發生器為研究對象，在Pro/E軟件中建立諧波齒輪三維仿真模型，并在ANSYS軟件中進行動力學仿真，盡量貼近實際工況，對諧波傳動剛柔耦合動力學計算，得到模型運動循環內不同時刻，杯形柔輪整體三維應力、變形分布規律，預測柔輪的危險斷面的位置，這為解決諧波傳動嚙合性能的關鍵問題提供了理論基礎。

2 諧波齒輪三維模型建立

以剛輪固定，凸輪式波發生器轉動，柔輪輸出的諧波齒輪傳動裝置為算例，杯形柔輪的材料為 30CrMnSiNiA，調質、氮化處理。柔輪模數 m=1mm，齒數 z=100，傳動比50，齒頂高系數0.8，徑向間隙系數0.2，齒形為漸開線形，壓力角 30o，逆時針轉動，轉速 100rad/ s，利用Pro/E參數化諧波齒輪三維仿真模型，結果如圖1所示。

3 諧波齒輪有限元分析

3.1 諧波齒輪有限元模型

將模型導入到ANSYS/LS-DYNA中進行網格劃分，采用八節點solid164單點積分單元。模型中柔輪齒和剛輪齒接觸部分應力比較集中，應力瞬時變化劇烈，所以柔輪和剛輪齒輪接觸部分劃分網格單元長度小。為使模型簡單且節省CPU計算時間將波發生器簡化，且其應力變化不大，網格劃分單元長度相對比較大。整個模型網格單元數量為24498個，單元節點數量為35735個。諧波齒輪有限元模型如圖2所示。

3.2 材料屬性

圖1 諧波齒輪三維仿真模型

圖2 柔輪和剛輪有限元網格劃分模型

諧波齒輪各部件材料屬性如表1。

圖3 諧波齒輪應力應變圖

3.3 邊界條件的設置

諧波齒輪模型中，為了便于計算分析，直接將簡化的剛性體波發生器和柔輪內圈剛柔接觸，簡化軸承的作用。在盡量接近實際工況下，將波發生器和柔輪的靜摩擦系數設為FS=0.6，動摩擦系數分別設為FD=0.55。通過關鍵字*SPC_SET功能實現剛輪固定，而諧波齒輪中柔輪采用關鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC柔輪的材料屬性，其功能是保證柔輪在運行過程中彈性變形。由于柔性體和剛性體在接觸運行中容易發生穿透現象，為了避免這種現象在LSDYNA中采用自動面對面接觸方式，選取波發生器和柔輪，柔輪和剛輪的接觸區域來減小計算搜索的時間，模擬波發生器和柔輪，柔輪和剛輪的接觸狀態。

表1 金屬材料屬性

3.4 柔輪瞬態求解分析

求解結果可以得出在波發生器轉動下，迫使柔輪做周期性相對運動，整個柔輪受力載荷是瞬態不均勻的，從圖3(a)看出，柔輪齒圈和筒體傳遞運動和動力的末端應力明顯大于筒體中間應力;從圖3(b)看出，柔輪齒圈上出現應力過大多是發生與波發生器長軸接觸的區域，齒面上越接近齒根區域應力變化越大，且齒上的應力在負載的作用下沿著負載方向逐漸變大;在連續轉動過程中，可以發現整個齒面的應力會呈現出不斷增大的趨勢，但是最大應力為4.021×108Pa比表1中柔輪的屈服極限要小的多;在連續轉動過程中，可以發現整個齒面的應力會呈現出不斷增大的趨勢，為諧波傳動應用可靠性的深入研究奠定基礎。

4 結語

介紹了基于PRO/E和ANSYS/LS-DYNA軟件的諧波齒輪傳動動態接觸應力分析過程，通過采用Pro/E參數化特征建模方法，可得到諧波齒輪三維精確模型，采用ANSYS/LS-DYNA軟件可對諧波齒輪三維動力學進行實時接觸仿真分析;通過ANSYS后處理可以方便、快速、直觀地觀察三維接觸有限元輪齒嚙合過程中齒面接觸應力分布情況。

利用有限元和相關有限元分析軟件在工程實際應用中有一定的價值。它能有效地對諧波齒輪進行模擬仿真，從而可減少實驗的費用，為齒輪的動態設計、優化設計和可靠性設計打下基礎。

[1]JAMES F A,DENNIS R H.Charaeteristies and requirements of robotic manipulators for space operations[J].SPIE,1991,1612：13-23.

[2]SHMITZ E,RAMEY M.Initial experiments on the endpoint control of a 2-DOF log-reach elastic manipulator[J].SPIE,1991,1612：245-256.

[3]沈允文,葉慶泰“諧波齒輪傳動的理論和設計”[M]北京：機械工業出版社,1985.

[4]Xin Hong-bing,He Hui-Yang,Xie Jin-Rui.Study on Effect of Toothed Rim on Stress in flexpline.Optics precision engineering,1998,6(2)71-74.

[5]韓建華、范祖光.諧波齒輪傳動中杯形柔輪的應力分析[J].齒輪,1987,11(5)6-9.