基于ANSYS和VB的雙圓弧齒輪應(yīng)力的參數(shù)化分析軟件設(shè)計(jì)

陳胡興， 孫 鵬

（1.宜興技師學(xué)院機(jī)電系，江蘇 宜興 214206；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

基于ANSYS和VB的雙圓弧齒輪應(yīng)力的參數(shù)化分析軟件設(shè)計(jì)

陳胡興1， 孫 鵬2

（1.宜興技師學(xué)院機(jī)電系，江蘇 宜興 214206；2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121）

基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，在有限元軟件ANSYS的基礎(chǔ)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(jī)對話的方式，操作十分簡便，只需輸入雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，就可以進(jìn)行計(jì)算分析，并且自動獲得計(jì)算結(jié)果。該軟件為設(shè)計(jì)人員提供了雙圓弧齒輪分析應(yīng)力的工具，也為工程設(shè)計(jì)分析提供了一種新的思路。

雙圓弧齒輪；參數(shù)化；ANSYS；VB

雙圓弧齒輪由于其自身的幾何、運(yùn)動特性，具有良好的運(yùn)動性能和較高的承載能力，目前主要應(yīng)用在冶金軋鋼、礦山運(yùn)輸、建材水泥、交通航運(yùn)、輕工榨糖、發(fā)電設(shè)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(yīng)用，許多學(xué)者應(yīng)用有限元法研究它的變形狀況和齒根應(yīng)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(jì)算軟件具備強(qiáng)大的功能，開發(fā)人員一般將其做得比較復(fù)雜。因此要掌握這樣的一種軟件，往往需要花很多時(shí)間學(xué)習(xí)它的操作方法和使用技巧，然而對于普通的雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)人員，沒有必要花時(shí)間完全掌握這些軟件。本文基于參數(shù)化思想，使用ANSYS軟件中的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）和可視化編程語言（VB），在確定雙圓弧齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)化的基礎(chǔ)上，開發(fā)了參數(shù)化建模及后處理軟件，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 雙圓弧齒輪傳動的應(yīng)力分析

在雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力設(shè)計(jì)是其中的重要內(nèi)容之一。齒面接觸應(yīng)力和齒輪彎曲應(yīng)力是應(yīng)力設(shè)計(jì)中的兩類基本問題。一般齒輪的彎曲應(yīng)力計(jì)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(xué)方法處理，與實(shí)際出入較大。有限單元法的出現(xiàn)，能比較好地真實(shí)地反映輪齒實(shí)際應(yīng)力，如假設(shè)條件合理，能比較真實(shí)地反映輪齒實(shí)際應(yīng)力。對于雙圓弧齒輪，其輪齒是一個(gè)形狀復(fù)雜的螺旋體，應(yīng)用有限元方法計(jì)算，能獲得較好的結(jié)果。輪齒齒面接觸強(qiáng)度不夠，齒面將產(chǎn)生點(diǎn)蝕、剝落、塑性變形等損傷。為了防止齒面產(chǎn)生這些損傷，必須進(jìn)行齒面的接觸強(qiáng)度計(jì)算，限制齒面的接觸應(yīng)力不超過許用值。由于雙圓弧齒輪是點(diǎn)嚙合制，到目前為止，確定齒面接觸應(yīng)力時(shí)大多是利用Hertz公式，作近似計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(yīng)用有限元分析軟件按ANSYS進(jìn)行分析得出的雙圓弧齒輪徑向應(yīng)力云圖。

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

2 參數(shù)化分析和參數(shù)化分析軟件設(shè)計(jì)方法

參數(shù)化技術(shù)是當(dāng)前CAD和CAE技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一。基于特征的參數(shù)化建?？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(yīng)用的并確定幾何拓?fù)潢P(guān)系的一組幾何元素所構(gòu)成的參數(shù)化形狀模型。參數(shù)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(shù)的變化對齒輪應(yīng)力有較大的影響，因此在設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮齒形參數(shù)對齒輪應(yīng)力的變化。軟件采用友好的人機(jī)交互界面，后臺調(diào)用有限元計(jì)算程序，計(jì)算雙圓弧齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力分析，最后通過人機(jī)交互的界面顯示結(jié)果，并可以對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存。軟件是在VB6.0環(huán)境下開發(fā)的，設(shè)計(jì)人員通過對話框可以選擇不同類型的齒輪和不同的計(jì)算要求（本文完成雙圓弧齒輪設(shè)計(jì)），如彎曲應(yīng)力計(jì)算或接觸應(yīng)力計(jì)算。在對話框中還可以選擇不同的參數(shù)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(diào)入ANSYS中控制計(jì)算流程，最后自動在軟件界面中顯示計(jì)算結(jié)果。

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

VB中調(diào)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(shù)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(shù)，并生成該參數(shù)文件，保存到相應(yīng)的工作目錄中；在注冊表中對ANSYS的環(huán)境進(jìn)行設(shè)置；設(shè)置好ANSYS的環(huán)境變量后，就可以啟動ANSYS了，為了得知ANSYS何時(shí)運(yùn)行結(jié)束，可以用以下提供的函數(shù)執(zhí)行ANSYS，該函數(shù)會在ANSYS執(zhí)行完畢后才返回；執(zhí)行后，ANSYS會彈出一個(gè)確認(rèn)的對話框，必須按下RUN才可以進(jìn)行下一步分析工作；ANSYS運(yùn)行結(jié)束后，該函數(shù)將返回，此時(shí)可以從剛才指定的工作目錄中找到ANSYS的分析結(jié)果。

3 實(shí)例介紹

首先在設(shè)計(jì)參數(shù)界面中選擇“按設(shè)計(jì)參數(shù)輸入?yún)?shù)”，先選擇設(shè)計(jì)參數(shù)下的最大輸入功率、轉(zhuǎn)速及齒數(shù)比。然后齒形參數(shù)中要選擇的是法向模數(shù)、小齒輪齒數(shù)、大齒輪齒數(shù)、螺旋角、及齒寬系數(shù)。再選擇一些輔助參數(shù)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(shù)及模數(shù)計(jì)算”對齒形參數(shù)進(jìn)行確定。如圖3所示。

當(dāng)完成齒形參數(shù)選擇后點(diǎn)擊界面中的“下一步”，就進(jìn)入齒廓基本參數(shù)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(shù)，在該對話框中可以選擇“上一步”回到上一個(gè)對話框重新輸入基本齒輪參數(shù)。當(dāng)確定后可以選擇“下一步”到應(yīng)力校核界面。在應(yīng)力校核界面里，當(dāng)按下彎曲強(qiáng)度計(jì)算右邊的按鍵“ANSYS計(jì)算”框時(shí)軟件調(diào)用ANSYS運(yùn)算，（要求在軟件運(yùn)行的電腦里要求安裝的是ANSYS6.1版，而當(dāng)沒有安裝ANSYS6.1時(shí)軟件會提示出錯(cuò)信息，計(jì)算結(jié)束）然后把計(jì)算結(jié)果顯示在界面上。如圖4所示。

圖4 雙圓弧齒輪計(jì)算結(jié)果調(diào)用Fig.4 The results of the double-arc helical gears calling

4 總 結(jié)

雙圓弧齒輪的齒形參數(shù)直接影響著雙圓弧齒輪的承載能力。如果按傳統(tǒng)方法解決上述問題，需要做大量的試驗(yàn)。這種方法需花費(fèi)大量的資金，時(shí)間周期也會很長，重復(fù)性差。本文在大型有限元軟件ANSYS的基礎(chǔ)上，基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)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(jī)交互界面，后臺調(diào)用有限元計(jì)算程序，計(jì)算雙圓弧齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力分析，最后通過人機(jī)交互的界面顯示結(jié)果，并可以對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存。設(shè)計(jì)人員根據(jù)計(jì)算結(jié)果就可以了解不同尺寸下的雙圓弧齒輪的強(qiáng)度變化，方便設(shè)計(jì)選型。

［1］ 邵家輝.圓弧齒輪［M］.北京：機(jī)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(yīng)力分析的理論基礎(chǔ)［J］.冶金設(shè)備，1982（3）：1-10.

［4］ 劉濤.精通ANSYS［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［5］ 李潤方.分階式雙圓弧齒輪有限元應(yīng)力計(jì)算［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，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。