齿轮传动轴的结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：8476】
摘 要齿轮传动轴是机器中的重要零件之一，其主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮传动轴的失效将直接影响着机械传动，从而影响着整个运动过程。对齿轮轴进行有限元分析，确定其受力，观察受力之后的位移、应力云图，通过云图数据结果验证齿轮轴的强度和刚度设计的合理性。本次设计使用hypermesh12.0软件，在软件中建立载荷和约束条件，通过一些基本参数进行计算求解来完成有限元分析仿真。得出结论并根据结论进行优化，同优化前的结果进行比较。结论表明，优化后的齿轮轴改变了应力集中的位置。通过静力学的分力概念，改变了施加力的大小和方向，齿轮轴最大变形减少了百分之82，最大应力降低了百分之55，实现了结构优化的预期目标。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2有限元分析的概念 1
1.3有限元国内外发展状况 1
1.4课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模的过程 4
2.1UG NX软件的概述 4
2.2零件图的分析 4
2.3零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1HyperMesh软件的概述 8
3.2HyperMesh的优势 8
3.3基本假设 8
3.4有限元分析模型建立 8
3.4.1齿轮轴的几何模型编辑 8
3.4.2网格划分 10
3.4.3材料及属性的创建 11
3.4.4施加约束和载荷 12
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1应力与变形分析 15
4.2优化设计 16
第五章 总 结 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 绪 论
1.1课题研究背景与意义
轴类零件的设计效率直接影响机械产品的设计效率，其强度直接影响机械传动系的寿命[1]。一方面，齿轮传动形式在机械传动中应用最广的一种传动。 它的传动比较平稳可靠，传动效率高，使用寿命长。齿轮大多是通过滑键与齿轮轴连接，传递动力和扭矩等。齿轮传动轴的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
应力变形会影响齿轮传动精度，造成齿轮的磨损等。因此，应该对齿轮轴强度及刚度进行校核，在不符合要求时进行结构优化，减小其应力变形。
另一方面，社会不断的发展，科技不断的进步，客户对产品质量方面的要求越来越高。企业生存的空间越来越窄，因此对产品的设计周期和成本要求也逐步升高。通过有限元分析验证齿轮轴结构的合理性，从延伸产品使用寿命的角度出发，提高其工作效率是十分有意义的。在科学研究和工程设计中，基于建模与仿真的数字化已成为当今科技发展的必然趋势，有限元分析已成为该领域数字化的重要方法之一[2]。通过本次课题的研究，对所学的知识进行加深性的理解，做到熟练运用。
1.2 有限元分析的概念
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），从字面上来讲，就是通过有限元的分析从而得到数据。有限元：就是一个个有大小限制的单元，它与物体本身并不完全一样，而是每一个单元假设的一个近似解，有限元越小，我们的分析就越精确。使用偏微分方程其实并不能得到一个准确的结果，只能得到一个近似的解，所以只要划分的的单元越多节点越细，我们就能得出越精确的结果，这就是为什么有限元分析运算精度高的主要原因。由于有限元分析一般由计算机软件运算完成，所以我们无需手动建立和运算方程。
1.3 有限元国内外发展状况
有限元近年来不管在国外还是国内都在快速发展，市场竞争力随之不断扩大，企业对有限元技术的需求越来越多，要求越来越高。为了更好的发展发展，工程师们利用有限元技术提升产品质量、缩短设计周期、增强产品竞争力。所以，随着计算机技术和计算方法的不断发展，有限元法在工程领域得到了越来越广泛的应用。是解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到飞机所有的设计制造都已离不开有限元分析计算。如图11所示汽车部分零件模型图。
图11 汽车零部件模型图
自从创立以来，经过人们不断的发展和优化，有限元法的用处得到了巨大的拓展[4]。随着计算机技术的发展，两者相辅相成。在众多数学家和工程师的努力下，有限元在国外的后期发展呈多头并进的态势，并且专业化程度越来越高，发展趋势越来越难以把握[3]。纵观国内外这些年的发展趋势，不使用有限元进行分析的企业在逐渐的被淘汰。有限元分析作为现代制造技术具备很多的优点。首当其冲的就是其精度越来越高，特别在航天科技的作用十分巨大。发展总是相互的，越来越多的CAD软件与之相互适配，使得机械设计的效率大大提高。甚至某些CAE软件能无缝和CAD软件进行数据交换，这也是有限元分析软件将来的一大趋势，技术最终会走向合作统一。
在国际上许多数学家和工程师的奋斗下，达索公司作为其中顶尖的软件商之一，发布了最新一代的版本的有限元分析软件，代表了当时国际上的发展前沿。本次的技术升级使得制造企业加强了他们非线性和线性分析过程的能力[5]。扩展了材料库和单元库，国外的有限元分析技术发展基本取决于以下几个方面：首先，数学发展先行，软件开发紧随其后[6]；第二，扩大应用范围，增加使用的人群，寻找系统技术的合作伙伴；第三，与实验室研究所等共同开发，数学家与工程师一起合作；第四，使用现有的技术进行开发，争夺市场，在商业上获得足够的效益，加大投入继续研发，得到良性循环。这些经验对于发展较晚的国家来说，首先给我们的研究方向提供了一些思路，可以运用国人善于学习的特性，先学习后研究最后超越，这样有助于自身科技的快速进步，其次充分发挥中国人口优势，扩大市场，有了商业价值就会得到更多的关注，用市场换取国外的先进技术，争取共同开发。我国需要不断发展具有自主版权，用于多个场合的有限元分析软件，考虑与具有我国自主版权的CAD集成。
1.4课题研究内容与目标
有限元法在如今的机械设计中起到了很重要的作用，设计原理十分简单易懂，而且在机械设计中有很快的工作效率[7]。齿轮轴其主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。因此，对齿轮轴进行必要的有限元仿真分析，根据计算结果发现零件结构可能存在的问题，从而对零件结构进行合理的优化，保证齿轮轴的刚度和强度满足设计要求。其课题研究内容如下[8]：
（1）建立齿轮轴的三维实体模型
目 录
第一章 绪 论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2有限元分析的概念 1
1.3有限元国内外发展状况 1
1.4课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模的过程 4
2.1UG NX软件的概述 4
2.2零件图的分析 4
2.3零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1HyperMesh软件的概述 8
3.2HyperMesh的优势 8
3.3基本假设 8
3.4有限元分析模型建立 8
3.4.1齿轮轴的几何模型编辑 8
3.4.2网格划分 10
3.4.3材料及属性的创建 11
3.4.4施加约束和载荷 12
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1应力与变形分析 15
4.2优化设计 16
第五章 总 结 18
致 谢 19
参考文献 20
第一章 绪 论
1.1课题研究背景与意义
轴类零件的设计效率直接影响机械产品的设计效率，其强度直接影响机械传动系的寿命[1]。一方面，齿轮传动形式在机械传动中应用最广的一种传动。 它的传动比较平稳可靠，传动效率高，使用寿命长。齿轮大多是通过滑键与齿轮轴连接，传递动力和扭矩等。齿轮传动轴的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
应力变形会影响齿轮传动精度，造成齿轮的磨损等。因此，应该对齿轮轴强度及刚度进行校核，在不符合要求时进行结构优化，减小其应力变形。
另一方面，社会不断的发展，科技不断的进步，客户对产品质量方面的要求越来越高。企业生存的空间越来越窄，因此对产品的设计周期和成本要求也逐步升高。通过有限元分析验证齿轮轴结构的合理性，从延伸产品使用寿命的角度出发，提高其工作效率是十分有意义的。在科学研究和工程设计中，基于建模与仿真的数字化已成为当今科技发展的必然趋势，有限元分析已成为该领域数字化的重要方法之一[2]。通过本次课题的研究，对所学的知识进行加深性的理解，做到熟练运用。
1.2 有限元分析的概念
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis），从字面上来讲，就是通过有限元的分析从而得到数据。有限元：就是一个个有大小限制的单元，它与物体本身并不完全一样，而是每一个单元假设的一个近似解，有限元越小，我们的分析就越精确。使用偏微分方程其实并不能得到一个准确的结果，只能得到一个近似的解，所以只要划分的的单元越多节点越细，我们就能得出越精确的结果，这就是为什么有限元分析运算精度高的主要原因。由于有限元分析一般由计算机软件运算完成，所以我们无需手动建立和运算方程。
1.3 有限元国内外发展状况
有限元近年来不管在国外还是国内都在快速发展，市场竞争力随之不断扩大，企业对有限元技术的需求越来越多，要求越来越高。为了更好的发展发展，工程师们利用有限元技术提升产品质量、缩短设计周期、增强产品竞争力。所以，随着计算机技术和计算方法的不断发展，有限元法在工程领域得到了越来越广泛的应用。是解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到飞机所有的设计制造都已离不开有限元分析计算。如图11所示汽车部分零件模型图。
图11 汽车零部件模型图
自从创立以来，经过人们不断的发展和优化，有限元法的用处得到了巨大的拓展[4]。随着计算机技术的发展，两者相辅相成。在众多数学家和工程师的努力下，有限元在国外的后期发展呈多头并进的态势，并且专业化程度越来越高，发展趋势越来越难以把握[3]。纵观国内外这些年的发展趋势，不使用有限元进行分析的企业在逐渐的被淘汰。有限元分析作为现代制造技术具备很多的优点。首当其冲的就是其精度越来越高，特别在航天科技的作用十分巨大。发展总是相互的，越来越多的CAD软件与之相互适配，使得机械设计的效率大大提高。甚至某些CAE软件能无缝和CAD软件进行数据交换，这也是有限元分析软件将来的一大趋势，技术最终会走向合作统一。
在国际上许多数学家和工程师的奋斗下，达索公司作为其中顶尖的软件商之一，发布了最新一代的版本的有限元分析软件，代表了当时国际上的发展前沿。本次的技术升级使得制造企业加强了他们非线性和线性分析过程的能力[5]。扩展了材料库和单元库，国外的有限元分析技术发展基本取决于以下几个方面：首先，数学发展先行，软件开发紧随其后[6]；第二，扩大应用范围，增加使用的人群，寻找系统技术的合作伙伴；第三，与实验室研究所等共同开发，数学家与工程师一起合作；第四，使用现有的技术进行开发，争夺市场，在商业上获得足够的效益，加大投入继续研发，得到良性循环。这些经验对于发展较晚的国家来说，首先给我们的研究方向提供了一些思路，可以运用国人善于学习的特性，先学习后研究最后超越，这样有助于自身科技的快速进步，其次充分发挥中国人口优势，扩大市场，有了商业价值就会得到更多的关注，用市场换取国外的先进技术，争取共同开发。我国需要不断发展具有自主版权，用于多个场合的有限元分析软件，考虑与具有我国自主版权的CAD集成。
1.4课题研究内容与目标
有限元法在如今的机械设计中起到了很重要的作用，设计原理十分简单易懂，而且在机械设计中有很快的工作效率[7]。齿轮轴其主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。因此，对齿轮轴进行必要的有限元仿真分析，根据计算结果发现零件结构可能存在的问题，从而对零件结构进行合理的优化，保证齿轮轴的刚度和强度满足设计要求。其课题研究内容如下[8]：
（1）建立齿轮轴的三维实体模型
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/387.html
