圆柱齿轮参数化建模及ANSYS的模型转换分析

摘要:对于需要使用CAD CAE集成系统的工程人员来说,只单一地使用Pro E或是ANSYS软件是很难迅速优质地完成任务,其较好的选择是构建两者的集成系统作为工作平台。建立不同软件组成的集成系统的关键问题就是数据转换接口的设置。以渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,利用Pro E三维建模软件进行参数化建模,讨论将直齿圆柱齿轮导入ANSYS中的多种模型转换方式,结果发现采用ANSYS-Pro E的数据接口转换方式是最佳的选择。
      
         Pro E是PTC(美国参数技术公司)推出的三维CAD CAM参数化软件,是一个基于特征的参数化实体造型系统,用户能迅速方便地利用其建立各种庞大复杂模型。特别是在圆柱直齿齿轮建中,Pro E软件以其“尺寸驱动参数化的基于特征的实体建模技术”为核心技术,其中的Program二次开发模块可以通过编辑程序语言记录齿轮设计过程中的尺寸参数和设计步骤,用户只需改变齿轮的参数就可以生成新的齿轮模型。因此,Pro E实现了齿轮设计的参数化。
        ANSYS是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件,它的前处理能力、加载求解能力、后处理能力都很强大。使用ANSYS进行分析必须通过构建三维几何模型,虽然其本身附带三维建模模块,但其建模能力与流行三维造型软件如Pro E、UG和CATIA等相比实在太弱。构建分析中需要的复杂的结构和曲面,在ANSYS当中实际很难完成。
        当前CAD CAE软件开发的趋势是专业化分工程度越来越高。虽然Pro E与ANSYS软件分别都有相应模块向对方领域渗透,但是对于需要使用CAD CAE集成系统的工程人员来说,只使用单一的Pro E或者ANSYS软件都很难迅速优质地完成任务。工程人员较好的选择还是构建两者的集成系统作为工作平台,建立由不同软件组成的集成系统的关键问题就是数据转换接口的设置。
       
1　基于Pro E的标准渐开线直齿齿轮三维模型建立
        Pro EWildfire版本由于具有强大的参数化特征造型功能而受到企业界的一致认同。同时,该软件与有限元分析软件ANSYS接口较好,已成为国内应用最为广泛的三维建模软件。本文通过Pro E中的“参数”、“关系”、“从方程创建曲线”等高级命令创建渐开线直齿圆柱齿轮的参数化模型,具体构建过程如下。
     (1)  基本参数设置
            渐开线直齿圆柱齿轮的几何尺寸决定于齿轮的5个基本参数,因此在齿轮建模之前,应向模型中添加基本参数。确定具体参数的分度圆直径、基圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿宽值均设置为零,并通过齿轮几何关系式进行计算,如表1所示。
           
      (2)   齿轮几何尺寸关系的建立
              在齿轮关系对话框中建立如下关系
                           
       (3)  创建轮齿的渐开线曲线
              在Pro E中,可以通过极坐标、柱坐标等生成渐开线,本文采用柱坐标建立如下关系式
                             
      保存关系式后,系统将根据此关系式创建渐开线,并生成图形。
       (4)  创建齿轮的基本实体和齿特征
              通过基准、镜像、修剪等步骤完成齿廓特征。注意在输入角度值时应保证复制的曲线和原曲线围成齿廓而不是围成齿轮,输入角度为360 4 z,是因为在分度圆周上,齿厚和齿槽宽相等。裁去渐开线和圆弧曲线相交处多余的曲线段后,拉伸生成曲面特征,并完成基本实体的生成。
             通过齿廓曲面对齿轮的毛坯进行裁减,得到齿形。在阵列其他齿特征时,根据阵列齿数,阵列输入角度为360 z,最后完成齿轮的其他特征,得到如图1所示的齿轮模型。
                          

 2　直齿圆柱齿轮的ANSYS有限元分析
         将Pro E中创建好的直齿圆柱齿轮为研究对象,对该齿轮进行ANSYS有限元分析。已知该齿轮安装在某轴上以62.8 rad s速度转动,选用齿轮材料为45钢调质处理,硬度HBS240,相关参数为:弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比υ=0.28。在AN-SYS有限元分析过程中,考虑到齿轮齿形的复杂程度、精度要求以及计算求解时间等实际因素,采用Solid95为有限元网格单元,并采用智能化网格划分控制进行划分网格,根据齿轮的工作情况其约束条件为圆心轴向和周向约束而径向放开,讨论利用ANSYS自身建模方式和模型导入方式分析齿轮在额定转速作用下的应力状态。
          (1)  ANSYS自身建模进行有限元分析
                在ANSYS中,根据直齿圆柱齿轮的特点,采用自下而上建模,按照从点到线、从线到面、从面到体的顺序建立模型。在转速为62.8 rad s的情况下,对齿轮进行应力分析,求得齿轮的最大径向变形为1.019 mm,最大径向应力为52.8 MPa。
          (2)  IGES格式转换进行有限元分析
                IGES是一种普遍接受的中间标准格式,用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。AN-SYS本身内置了IGES转换过滤器,所以它支持IGES格式文件的输入。而在Pro E中也可以方便地将建立的PRT文件另存为IGES文件。因此,将Pro E中建立的直齿圆柱齿轮模型利用“IGES”格式导入AN-SYS后,对图1的齿轮进行有限元分析,求得齿轮的最大径向变形和最大径向应力如表2所示。
                  
      　由表2知,与直接利用ANSYS建模有限元分析相比,利用IGES中间标准格式转换进行有限元分
析,其最大径向变形相对误差为0.196%,最大径向应力的相对误差为3.5%。
        (3)  利用数据接口转换进行有限元分析
               ANSYS软件安装选项中包含与Pro E软件的接口模块“Connection for Pro Engineer”。此模块能将Pro E模型数据直接转换给ANSYS,并在Pro E菜单管理器中会多出2个选项:“ANSCon Config”和“AN-SYS Geom”,这表明Pro E和ANSYS已经成功建立了接口。利用该设置可以ANSYS直接集成在Pro E之中,整个转换过程可以在不脱离Pro E和ANSYS这2个软件的情况下进行,从而实现了Pro E和AN-SYS的真正连接。
             在Pro E利用参数化命令建立齿轮模型,单击“ANSYS Geom”,系统打开ANSYS,将当前齿轮模型直接导入到ANSYS中,单击显示体命令。定义齿轮的材料属性和网格属性,添加约束和转速,进行求解。求得齿轮的最大径向变形和最大径向应力如表3所示。
             
            利用接口转换进行有限元分析,其最大径向变形相对误差为0.098%,最大径向应力两者完全一致。

 3　结语
         本文使用目前最流行的版本Pro Engineer Wild-fire 2.0与ANSYS9.0做分析,以渐开线直齿圆柱齿轮为研究对象,利用Pro E进行建模,讨论将圆柱齿轮导入ANSYS中的多种模型转换方式,可以得出以下结论:
         (1)利用Pro E软件建立了渐开线直齿圆柱齿轮的参数化设计模型,利用该模型可以创建不同参数的齿轮模型库,方便齿轮设计人员的调用。
      （2）由表2和表3可知使用IGES格式和接口转换方式都可以实现Pro E向ANSYS进行模型数据转换,但是利用接口数据转换方式得到的结果更加精确,与直接利用ANSYS建模进行有限元分析相比,其最大径向变形相对误差仅为0.098%,两者的最大径向应力值完全相同。而利用IGES标准格式转换方式,两者最大径向变形相对误差为0.196%,最大径向应力相对误差为3.5%
        (3)虽然利用数据接口转换方式进行可以实现ANSYS的模型数据转换,得到的结果比较精确,但是与直接利用ANSYS建模进行有限元分析相比,其运算时间要稍微长一点。所以,对于能直接用AN-SYS进行建模的模型来说,利用ANSYS建模直接进行有限元分析是最佳的选择。