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基于Patran的行星内齿圈的有限元分析

发布于:2018-12-28 20:48
有限元分析

杭州微强科技有限公司 www.wqaduer.com       结构设计的研究对象是某型矿用齿轮箱,采用多级混合式行星传动,由于传动比大采用3级增速,前二级为行星传动和输出级采用平行轴传动,行星传动采用太阳轮浮动的2K-H(NGW)型,行星轮采用3个,这样的行星传动具有结构简单、均载效果好的特点,矿用多级混合式行星传动图。参数确定根据经典机械设计理论计算得出相应的齿轮参数,建立模型根据齿轮箱的实际结构参数,在Pro/E中建立多级混合式行星齿轮的参数化模型,得到的整体模型如图所示。
      齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的,轮齿的主要失效形式是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断,而多级混合式行星齿轮传动系统在工作过程中内齿圈最容易发生损坏,本研究着重对内齿圈进行模态分析和静杭州微强科技有限公司,首先建立内齿圈的杭州微强科技有限公司模型。利用Pro/E参数化建立内齿圈模型,以Parasolid,x_t格式导入Patran软件中进行网格划分,由于内齿圈的边缘不规整,自动生成的网格有太多的不规范,严重影响了解算的精度和速度,采用手动划分网格,基本思路:内齿圈是对称结构,创建对称体的网格(对称体要分两部分分别创建网格),再进行镜像处理,则整个网格就划分好了。具体操作:(1)边缘部分的网格划分先用Paver创建内齿圈边缘的上表面四边形网格,根据所建网格曲率半径在边缘曲线上撒下网格种子(保证部分网格关联),再由Sweep/Element/Extrude沿Z轴负向拉伸至主体表面成为六面体网格;(2)主体部分的网格划分用Paver创建主体表面的四边形网格,在网格种子的作用下,创建的网格和边缘面平移的网格是对齐一致的,将合起来的四边形网格拉伸至整个内齿圈的中间面,上部分的整体网格就划分好了;(3)镜像处理创建中间面的几何坐标系,以该坐标系的z轴法向量作为镜像面,Transform/Element/Mirror:得到整个内齿圈的网格,保证了模型生成规整的六面体网格;(4)优化网格用Equivalence消除接合面上的重复节点,用Verify检验模型自由边。内齿圈的有限元模型如图所示,其单元数为53570,节点数为661350多级混合式行星传动系统在工作过程中各部件受力比较复杂,其中内齿圈不仅受到齿轮的啮合力,还受到机体的约束反力。
      内齿圈的主动力为齿轮啮合力,施加在内齿圈的各承载轮齿上,而机体约束反力应作为约束处理。内齿圈与3个行星轮啮合,啮合的齿之间有力传递,啮合力会使内齿圈产生预应力,内齿圈的瞬时受力情况如图所示,为了便于观察,受力齿轮处作了放大处理,F的方向与接触齿面垂直,在施加载荷时将啮合力加在分网时在齿啮合位置处的一排节点上,保证其真实性,其中各行星轮的啮合力啮合力均布在啮合线上的,将分布力按照集中力来施加,即在作用面的每个节点上施加一个集中力(其值为受力除以作用面上的节点数),则每个节点上载荷内齿圈的约束是靠螺栓与机体联接,采用多点约束技术模拟螺栓约束,MPC是将节点的依赖自由度定义为其他若干节点独立自由度的函数,进行节点自由度的耦合,即将螺栓孔内表面的运动与一个控制点相耦合。基本思路:内齿圈螺栓孔有24个,对其中一个进行MPC处理,其他进行旋转复制。具体操作:创建一个组,将操作全部放在组里,创建螺栓孔的中心,此点作为控制点,Create/MPC/Explicit将螺栓孔内表面与该控制点耦合,并给控制点施加固定约束,然后将这个组旋转复制23次。对控制点施加约束来实现模拟机体对内齿圈的约束,如图所示。
      模态分析内齿圈的材料为45钢,弹性模量为2.1xe5MPa,泊松比0.3,密度为7.8xe3kg/m3。低阶模态对系统的振动影响较大,在计算时只考虑前10阶频率与振型,用上述参数对有限元模型进行属性定义,通过Patran/Nastran进行模态分析,分析结果如表,模态振型图略。通过模态检验系统的稳定性,就是分析固有频率与外界激励的频率是否耦合发生共振,设计的风轮工作转速在1024.78r/min,相对应的工作频率为0.167,0.413Hz,由求解得到的模态可知,此风轮频率在第3阶和第4阶频率之间,且与前3阶差距很大,内齿圈不会与外界激励发生共振,内齿圈是稳定的,符合工作要求。



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