基于Pro/E和LS-DYNA的谐波齿轮动力学仿真分析

任毅斌 刘文芝 赵璐 李太安 庞明思

(内蒙古工业大学机械学院,内蒙古呼和浩特 010051)

基于Pro/E和LS-DYNA的谐波齿轮动力学仿真分析

任毅斌 刘文芝 赵璐 李太安 庞明思

(内蒙古工业大学机械学院,内蒙古呼和浩特 010051)

使用Pro/E三维建模软件和ANSYS/LS-DYNA动力学仿真软件相结合对谐波齿轮传动性能进行动力学仿真分析。利用Pro/E软件对谐波齿轮的各个组件进行三维建模,将建好的杯形柔轮与刚轮刚柔耦合模型导入到ANSYS有限元软件中,进行谐波齿轮的动态有限元接触分析,得出柔轮在运动循环内的不同时刻,杯形柔轮整体受到的应力、变形分布规律。研究表明,利用Pro/E和ANSYS/LS-DYNA动力学软件相结合,能够准确对杯形柔轮进行动力学仿真计算,使得仿真结果更加贴近实际,为谐波齿轮的可靠性设计提供了基础。

谐波齿轮 柔轮 显示动力 接触分析 应力应变

1 引言

谐波齿轮传动是一种靠柔轮的弹性变形来实现运动和动力传递的新型传动装置，具有体积小、传动比大、传动精度高、承载能力大、回差小等优点，已经广泛应用在航天飞机、智能机器人、雷达等领域[1-2]。柔轮作为中间挠性构件是谐波传动装置中运动、动力的关键传动件。目前，齿轮传动的动态特性研究成为当前齿轮研究的主要课题。

本文以径向啮合、双波、内式凸轮波发生器为研究对象，在Pro/E软件中建立谐波齿轮三维仿真模型，并在ANSYS软件中进行动力学仿真，尽量贴近实际工况，对谐波传动刚柔耦合动力学计算，得到模型运动循环内不同时刻，杯形柔轮整体三维应力、变形分布规律，预测柔轮的危险断面的位置，这为解决谐波传动啮合性能的关键问题提供了理论基础。

2 谐波齿轮三维模型建立

以刚轮固定，凸轮式波发生器转动，柔轮输出的谐波齿轮传动装置为算例，杯形柔轮的材料为 30CrMnSiNiA，调质、氮化处理。柔轮模数 m=1mm，齿数 z=100，传动比50，齿顶高系数0.8，径向间隙系数0.2，齿形为渐开线形，压力角 30o，逆时针转动，转速 100rad/ s，利用Pro/E参数化谐波齿轮三维仿真模型，结果如图1所示。

3 谐波齿轮有限元分析

3.1 谐波齿轮有限元模型

将模型导入到ANSYS/LS-DYNA中进行网格划分，采用八节点solid164单点积分单元。模型中柔轮齿和刚轮齿接触部分应力比较集中，应力瞬时变化剧烈，所以柔轮和刚轮齿轮接触部分划分网格单元长度小。为使模型简单且节省CPU计算时间将波发生器简化，且其应力变化不大，网格划分单元长度相对比较大。整个模型网格单元数量为24498个，单元节点数量为35735个。谐波齿轮有限元模型如图2所示。

3.2 材料属性

图1 谐波齿轮三维仿真模型

图2 柔轮和刚轮有限元网格划分模型

谐波齿轮各部件材料属性如表1。

图3 谐波齿轮应力应变图

3.3 边界条件的设置

谐波齿轮模型中，为了便于计算分析，直接将简化的刚性体波发生器和柔轮内圈刚柔接触，简化轴承的作用。在尽量接近实际工况下，将波发生器和柔轮的静摩擦系数设为FS=0.6，动摩擦系数分别设为FD=0.55。通过关键字*SPC_SET功能实现刚轮固定，而谐波齿轮中柔轮采用关键字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC柔轮的材料属性，其功能是保证柔轮在运行过程中弹性变形。由于柔性体和刚性体在接触运行中容易发生穿透现象，为了避免这种现象在LSDYNA中采用自动面对面接触方式，选取波发生器和柔轮，柔轮和刚轮的接触区域来减小计算搜索的时间，模拟波发生器和柔轮，柔轮和刚轮的接触状态。

表1 金属材料属性

3.4 柔轮瞬态求解分析

求解结果可以得出在波发生器转动下，迫使柔轮做周期性相对运动，整个柔轮受力载荷是瞬态不均匀的，从图3(a)看出，柔轮齿圈和筒体传递运动和动力的末端应力明显大于筒体中间应力;从图3(b)看出，柔轮齿圈上出现应力过大多是发生与波发生器长轴接触的区域，齿面上越接近齿根区域应力变化越大，且齿上的应力在负载的作用下沿着负载方向逐渐变大;在连续转动过程中，可以发现整个齿面的应力会呈现出不断增大的趋势，但是最大应力为4.021×108Pa比表1中柔轮的屈服极限要小的多;在连续转动过程中，可以发现整个齿面的应力会呈现出不断增大的趋势，为谐波传动应用可靠性的深入研究奠定基础。

4 结语

介绍了基于PRO/E和ANSYS/LS-DYNA软件的谐波齿轮传动动态接触应力分析过程，通过采用Pro/E参数化特征建模方法，可得到谐波齿轮三维精确模型，采用ANSYS/LS-DYNA软件可对谐波齿轮三维动力学进行实时接触仿真分析;通过ANSYS后处理可以方便、快速、直观地观察三维接触有限元轮齿啮合过程中齿面接触应力分布情况。

利用有限元和相关有限元分析软件在工程实际应用中有一定的价值。它能有效地对谐波齿轮进行模拟仿真，从而可减少实验的费用，为齿轮的动态设计、优化设计和可靠性设计打下基础。

[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,叶庆泰“谐波齿轮传动的理论和设计”[M]北京：机械工业出版社,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]韩建华、范祖光.谐波齿轮传动中杯形柔轮的应力分析[J].齿轮,1987,11(5)6-9.