基于ANSYS的谐波齿轮圆柱形柔轮模态分析

基于ANSYS的杯形柔轮结构参数对柔轮应力的敏感度分析前言杯形谐波减速器依靠薄壁柔轮的弹性变形来进行传动，具有传动比大、体积小等优点，在各种机器人及精密机械传动等方面具有广泛的应用，而且在宇航空间机构中也得到越来越多的应用。

如果能够进一步减小谐波减速器的体积，那么宇航空间机构中传动机构的体积也将减小，从而降低整个宇航空间机构的体积和质量。

为了满足空间环境、机器人、伺服控制系统等对谐波减速器中柔轮轴向尺寸小的要求，日本、美国和俄罗斯等国展开了研究，并取得了相应的成果。

我国的谐波传动技术与国外相比还有一定的差距，特别在短杯谐波的研制和在空间机构环境中的应用方面差距更大，短杯柔轮的谐波减速器目前处于研发阶段，未见有产品应用的实例。

决定杯形谐波减速器寿命的核心部件是薄壁柔轮，JOHN减小杯形谐波减速器的体积也主要是通过缩短柔轮的长度来实现，因此，研究柔轮的关键结构参数对柔轮的应力影响规律是对柔轮结构进行优化设计和改进的重要前提条件，同时也是综合分析柔轮应力的基础；在不同的温度下分析柔轮的热和结构耦合应力，确定谐波传动能够承受的环境温度，可为杯形谐波传动应用于宇航空间机构提供依据。

预期通过基于ANSYS的杯形柔轮结构参数对柔轮应力的敏感度分析，确定短杯柔轮各主要的参数的取值范围，然后利用优化设计得到短杯柔轮的结构参数，按照该参数加工出一套短杯谐波减速器，对其性能进行试验测试，并将试验结果与正常杯形的谐波减速器进行比较，期望得到町用于实际工况的短杯谐波减速器。

因此，分析柔轮关键结构参数对柔轮应力的影响以及热与结构耦合情况下柔轮的接触应力分析具有重要意义。

1 柔轮与波发生器参数化等效接触模型1．1参数化等效接触模型的开发如果对不同型号的柔轮与波发生器进行有限元接触分析，以及改变柔轮关键结构参数对柔轮最大等效应力的影响分析，总共需要计算分析几十次。

如果每分析一次就建立一个新模型进行单元类型定义、网格划分、施加约束和载荷，最后进行分析，那么分析的工作量是不可想象的。

设计与研究49谐波减速器柔轮的有限元分析徐志鹏(北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100191)摘要：通过理论计算得出齿间喷合力，并采用有限元分析法，在ansys-workbench中建立不同负载下的钢轮- 柔轮-波发生器的有限元模型，得出不同负载条件下柔轮的变形情况。

结果表明，柔轮的主要变形发生在齿圈与 筒体的过渡区域和齿圈处。

建立不同壁厚、筒长、齿宽的柔轮对其进行有限元分析，得出柔轮的最大应力与最大 变形与壁厚、筒长、齿宽之间的关系。

关键词：柔轮筒长壁厚齿宽引言在工业高速发展的趋势下，体积小、传动比高、传动 效率大的谐波减速器，应用地越来越广泛。

谐波减速器主 要由固定的内齿圈刚轮、可发生大变形的薄壁柔轮和主动 输入的凸轮波发生器三个核心部件组成。

谐波传动过程中，波发生器会使柔轮轮齿在最大变形区域与刚轮轮齿完全啮 合，并在最小变形区域与刚轮完全脱离。

为保证这种特殊 的啮合方式，柔轮必须能产生较大的径向变形。

薄壁柔轮 在谐波传动中决定谐波减速器的寿命，因此对于柔轮的应 力和结构研宄成为焦点问题[1]。

目前，国内的谐波减速器 与日本、美国等国家的谐波减速器相比，在相同功率情况下，国内谐波减速器尺寸大、承载能力小，难以满足国内工业 发展的需求。

因此，对谐波减速器柔轮的承载能力与结构 尺寸进行分析具有重要意义。

1柔轮三维模型的建立本文建立的谐波减速器型号为XB1-80。

柔轮的主要技术参数：模数m=0.5，柔轮齿数21=160，轮齿压力角(1。

=20°，齿顶高系数ha*=0.5,齿根高系数c*=0. 15。

利用 三维设计软件soildworks，可快速建立谐波减速器的三维 实体模型，并可通过基本参数模型迅速重建新的模型，从 而提高建模计算效率。

2柔轮的有限元分析2.1前处理本文不对谐波减速器柔轮的轮齿进行应力分析，若柔 轮采用全齿模型进行计算，网格划分将非常复杂，得不到 较好的网格质量。

信 息 技 术32科技资讯 SC I EN C E & TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N模态分析主要用来研究研究结构动力特性,是一种动力学分析方法。

可以用来获得机器中的振动特性,比如振型或者固有频率。

由于机器中转子的不平衡,很容易产生共振现象,使得机器的寿命不断减少。

由于振动特性决定了结构对动力载荷的响应情况,所以必须要对研究对象进行模态分析。

从而获得研究对象的固有频率和振型,避免共振现象的发生[1]。

模态分析可以通过建立模型,施加约束和载荷并求解,模态的扩展,约束及后处理等过程来实现[2]。

1 有限元模型的建立本文利用P r o /E N G I N E E R 来建立模型,然后将建好的模型再导入ANSYS中,建好的模型如图1所示。

对建好的模型进行网格划分,齿圈处的网格要比筒体的网格划基于A N S Y S 的谐波齿轮柔轮的有限元模态分析①徐玉升(大连大学机械工程学院 辽宁大连 116622)摘 要:利用ANSYS软件,建立了谐波齿轮的有限元分析模型。

对谐波齿轮的柔轮进行了有限元约束模态分析,通过分析得到了在工作状态下的前十阶模态变形图。

变载荷的激扰频率远远小于各阶的固有频率,共振现象不会发生。

关键词:有限元分析 模态分析 谐波齿轮中图分类号:TG 156文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)05(a)-0032-01①作者简介:徐玉升(1989—),男,本科,主要研究方向为机构设计。

E-mail:244036660@。

图3柔轮的二阶模态图图4 柔轮的三阶模态图图1 划分网格的柔轮图2 柔轮的一阶模态图分的密度要大一些。

2 模态分析由于柔轮的轮齿很小而且数量比较多,所以采用分块兰索斯法提取柔轮模态,以便提高计算效率[3]。

在通常情况下,低阶模态下的固有频率比高阶模态下的固有频率更容易发生共振。

因此,只需要算出几个低阶模态即可。

首先在划分好网格的有限元模型上施加约束,然后设置模态分析类型,模态扩展和具体参数,最后进行求解。

第５期（总第１７４期）２０１２年１０月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５Ｏｃｔ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－００４７－０２基于ＡＮＳＹＳ的谐波齿轮圆柱形柔轮模态分析何雅娟（陕西理工学院机械工程学院，陕西　汉中　７２３００３）摘要：谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮的疲劳断裂，谐波齿轮传动柔轮的强度问题一直是谐波齿轮设计者的一个课题。

采用基于接触问题的有限元法建立数值模型并进行模态分析，得到柔轮的前１０阶固有频率。

通过分析柔轮的固有频率范围，为谐波齿轮的改进提供参考。

关键词：柔轮；有限元；模态分析中图分类号：ＴＨ１３２．４１∶ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１２－０７－２８；修回日期：２０１２－０８－１０作者简介：何雅娟（１９８３－），女，陕西汉中人，助教，硕士，主要研究方向为机械装备的设计与制造。

０　引言谐波齿轮传动是一种性能优良的机械传动，它具有精度高、回差小、传动比大、体积小、噪声低等一系列优点。

为避免工作时出现共振，本文对谐波齿轮传动中对动态性能起主要影响的关键元件———柔轮进行了模态分析研究。

１　圆柱形柔轮有限元模型的建立１．１　三维模型的建立图１为圆柱形柔轮结构简图。

由于ＡＮＳＹＳ中不能建立曲线方程，而Ｐｒｏ／Ｅ软件可以很方便地建立各种曲线方程，再加上其参数化设计能简单灵活地修改设计参数，因此，选择Ｐｒｏ／Ｅ完成建模，具体三维建模参数见表１。

图１　圆柱形柔轮结构简图在建立柔轮的有限元模型时，忽略了齿圈圆角、齿廓圆角、法兰倒角等局部细节问题，从而简化了有限元模型，使计算更加方便，生成的圆柱形柔轮三维模型如图２所示。

１．２　单元设置和网格划分所选柔轮材料为３５ＣｒＭｎＳｉＡ，其弹性模量Ｅ＝１９６ＧＰａ，泊松比μ＝０．２８。

表１　柔轮三维建模参数参数名称模型参数值模数ｍ（ｍｍ）０．５齿数ｚ４２９压力角α（°）２０分度圆半径Ｒ（ｍｍ）１０６．６２５基圆半径Ｒ０（ｍｍ）１００．１９齿顶高系数ｈａ＊１顶隙系数ｃ＊０．２５齿根圆半径Ｒｆ（ｍｍ）１０６齿顶圆半径Ｒａ（ｍｍ）１０７．１２５筒体长度Ｌ（ｍｍ）１８０光滑筒壁厚δ１（ｍｍ）３．６齿圈宽度ｂｒ（ｍｍ）４０齿圈部分壁厚δ（ｍｍ）６图２　圆柱形柔轮三维模型实体单元选择可用于三维模型的Ｓｏｌｉｄ１８５。

基于ANSYS的谐波减速器柔轮受力分析本文以典型的谐波齿轮传动系统的柔轮为研究对象,介绍了谐波齿轮传动的发展历史、特点及其工作原理,利用UGNX4.0参数化方法建立了不同长径比和不同壁厚的柔轮实体模型,并利用APDL方法建立柔轮不同长径比、不同壁厚和不同载荷下的有限元模型。

利用ANSYS10.0的接触分析技术在波发生器与柔轮之间建立两对面-面接触模拟边界条件和初始载荷,对柔轮在不同载荷下以及不同长径比和不同壁厚的柔轮在特定负载时的应力分布和变形进行了了分析计算,得出了柔轮应力分布规律和柔轮变形规律。

本文在建立有限元模型时在结构上采用了完整模型,而且保留柔轮轮齿,借助ANSYS三维立体单元SOLID185、接触单元TARGE170和CONTA174本身的算法。

故本文处理方法下的计算结果更接近真实情况,为柔轮结构的优化提供了有用的数据。

同主题文章[1].邓祥明,孔凡国. 谐波齿轮传动多目标优化设计' [J]. 机械设计与研究. 1998.(02)[2].董惠敏,刘书海. 谐波齿轮传动多目标模糊优化设计的研究' [J]. 机械传动. 2003.(02)[3].龙东平,谭建平,周亮. 大型粉料储罐系统有限元分析' [J]. 建筑机械. 2005.(10)[4].严国平,刘正林,朱汉华,费国标. 大型船用斜齿轮参数化建模及其接触有限元分析' [J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2007.(02)[5].崔博文,沈允文. 谐波齿轮传动的接触状态分析及侧隙计算' [J]. 机械科学与技术. 1996.(04)[6].辛洪兵,何惠阳,张承嘉,谢金瑞. 四齿差谐波齿轮传动精度特征的试验研究' [J]. 机械科学与技术. 2001.(04)[7].郭振旺,姚辉,陈志忠,王宇业. 柴油机曲轴强度的三维有限元分析' [J]. 柴油机. 2005.(03)[8].赵汝嘉,陆还珠,黎德龄,褚启勤. 机床大件动、静特性有限元分析——板、梁组合结构子结构分析法' [J]. 西安交通大学学报. 1980.(02)[9].程光蕴,郑自钧,吴克坚. 盒式录音机按键机构的受力分析' [J]. 机械科学与技术. 1985.(02)[10].李玉光,尤竹平. 谐波齿轮传动柔轮位移场和应力场的有限元分析' [J]. 大连大学学报. 1991.(04)【关键词相关文档搜索】：车辆工程; 柔轮; 谐波齿轮传动; 有限元; 接触; 受力分析【作者相关信息搜索】：上海交通大学;车辆工程;何维廉;张世民;。