1、文章编号 :100320794 (2006) 0320431202基于 UG的驱动轮有限元分析 3栾丽君 1 ,2 , 陈 凯 1 , 李 波 1(1. 辽宁工程技术大学 机械学院 , 辽宁 阜新 123000 ; 2.东北大学 机械学院 , 沈阳 110006)摘 要 : 利用 UG- NX2. 0 中的 Structure 模块对驱动轮的应力分布规律进行计算和分析 ,得出了该构件的应力分布图 ,从理论上对驱动盘的常见破坏形式进行了分析研究。为进一步改进驱动盘的受力状况和结构设计 ,实现驱动盘的标准化生产提供了必要的理论依据。关键词 : 驱动盘 ; 结构分析 ; 有限元 ; UG; 强度校核
2、中图号 : TD53 ; TP39117 ; O242121 文献标识码 : AFEA of Drive - wheel Based on UGL UAN Li - jun1 ,2 , CHEN Kai1 , LI Bo1(1.Liaoning Technical University Mechanical Institute , Fuxin 123000 , China ;2. Northeast University Mechanical Institute , Shenyang 110006 , China)Abstract :Calculates and analyses the st
3、ress distributing rule of the drive - wheel using UG - NX2. 0 softwarewith the structure module , and receives the figure that describes the distribution of the stresses and strain , andinvestigates the usual destroying forms of it in theory , and provides essential theoretic gist for improving its
4、suf2fering force situation and structure and realizing its standardization production.Key words :drive - wheel ; structure analysis ; finite element ; UG; strength check0 引言UG的 CAD/ CAE/ CAM 功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真和有限元分析等功能。在 UG有限元分析模块中共集成了 4 种有限元求 解 器 StructuresP. E , NASTRAN , ANSYS 和ABAQUS。这种集成为 UG提
5、供了 1 个完整的建模和分析环境 ,同时它还提供了大量不同类型的解决方案 ,包括线性静力分析、普通建模、线性振动、间隙配合和稳态热传导 ,其支持的材料类型包括各向同性、横观各向异性和各向异性以及不考虑温度影响的材料用户可以根据需要选取不同的求解器和对应的分析模式。UG有限元分析功能的实现 ,必须遵从 UG有限元分析的一般过程 ,即建立一个有限元分析的环境有限元分析场景 ,它作为有限元模型的载体负责存储所有有限元模型的信息 ,形成有限元分析的原始数据文件 ;在该场景中构建有限元模型 ,包括添加载荷、添加材料、添加边界条件和自动划分网格 ;向有限元分析工具提交建立的有限元模型数据 ;用有限元分析工
6、具进行有限元的分析 ;在 UG有限元分析中调出分析结果的数据文件 ,利用图形的方式显示模型的应力、应变分布情况 ,并得出各种应力、应变数据。1 驱动轮在 UG下的有限元分析1. 1 驱动轮模型的建立利用 UG/ Modeling 模块建立驱动轮模型 ,如图 1所示 (去除网格后的形状 ) 。1. 2 划分网格根据驱动轮的形状 、键槽的大小和驱动轮的受3 辽宁省教育厅资助项目 (20081218)力方式 ,驱动轮的受力方式是以轮幅边缘的受力点为对称面的受力方式 ,因此它的网格划分形式可以采用对称网格划分 ,只要在对称平面上把驱动轮的受力大小改成原来的一半就可以了。单元网格的划分采用 UG自带的
7、3D 四面体自动网格划分 ,类型是10 节点四面体网格 ,全局网格单元大小为 7. 5 mm ,在零件中单元总数量为 33 617 个 ;其在部件中节点总数量为 56 507。这样划分的小网格可以在受力集中的键槽上清晰地表现其应力和应变情况。如图 1所示。图 1 驱动轮网格Fig. 1 Grid of the drive wheel1. 3 定义材料特性材料选择材料库中的金属 Steel ,其材料相应默认属性如下 :材料类型 各向同性质量密度 / kg mm - 3 7. 858 37e - 6杨氏模量 / MPa 2. 068 440e5泊松比 0. 31. 4 施加载荷和边界条件(1)施加
8、载荷由于驱动轮是主要传动部件 ,其传动方式是靠第 27 卷第 3 期2006 年 3 月 煤 矿 机 械Coal Mine Machinery Vol127No13Mar. 2006 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.钢丝绳和驱动轮之间的摩擦力来牵引的。与驱动轮接触的钢丝绳上任意一点张力Fi = F1e 1 i式中 1 钢丝绳和驱动轮之间的摩擦系数 ; i 钢丝绳与驱动轮接触处任一点到钢丝绳与驱动轮分离点实际接触的围包角。钢丝绳张力变化规律如图 2 所示 , F1、 F2 为钢丝绳与驱动
9、轮分离点与相遇点的张力。图 2 钢丝绳受力示意图Fig. 2 Receiving force analysis of rope根据钢丝绳的受力情况 ,将钢丝绳划分成微元体进行受力分析如图 3 所示。图 3 钢丝绳小微元受力简图Fig. 3 Receiving force analysis of rope s element设每一微元体钢丝绳长度对应的围包角为 ,则微元体上钢丝绳张力对驱动轮产生的法向平均载荷Fr i = ( Fi + Fi + 1) sin / 2l切向平均载荷Ft i = ( Fi + Fi + 1) cos / 2l当预紧力 F = 8 992 N , F1 = 0. 5
10、F = 4 496 N 时 ,以 = 5为一个微元体计算法向均布载荷 Fr i和切向均布载荷 Ft i ,将其加到驱动轮槽的中心线上。(2) 边界条件根据驱动盘的受力情况约束有 2 种形式 ,第 1种是在键槽的 3 个表面施加固定约束条件 ,第 2 种是在钢丝绳的缠绕表面的 3 个轮齿上施加对称约束条件 。2 强度校核UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能 ,可以自动生成计算分析报告。取驱动轮的材料为 45 钢 ,其抗拉强度 b = 600 MPa , 取安全系数 n= 8 ,得其许用应力 = b/ n = 75 MPa ,使用 UG的结构分析模块得到驱动轮的应力分布如图 4、图 5所示
11、 ,从图中可以看出 ,驱动轮的高应力区主要集中在键槽、轮轴孔以及轮幅边缘 ,其中最大应力区在轮幅边缘上 , max = 71637 MPa ,则材料强度满足要求。图 4 驱动轮的应力分布 (自由侧面 )Fig. 4 Stress displacement of drive wheel( free side)图 5 驱动轮的应力分布 (中间对称面 )Fig. 5 Stress displacement of drive wheel( middle plane of symmetry)3 结语(1)应用 UG软件 ,当结构修改以后 ,只需要改变相应的参数 ,即可进行仿真分析 ,从而大大提高了计算效
12、率。(2)仿真结果为驱动轮的强度设计提供了数值依据。这里运用 UG软件对驱动轮进行结构分析 ,分析表明这种机构的动力学特性良好 ,冲击小 ,运动平稳。(3)对驱动轮的有限元分析表明 ,驱动轮的应力状态水平较低 ,驱动轮的高应力区主要集中在键槽、轮轴孔、轮幅边缘 ,可以进一步对驱动轮结构进行优化 ,以减轻重量 ,降低成本。(4)采用有限元分析法与传统方法相比 ,大大提高了分析精度及设计品质 ,为进一步改进驱动轮和其他相关零件的结构设计提供了理论依据。参考文献 :1 林慧珠 . 机械零件设计的强大工具 UnigraphicsJ .化工装备技术 ,2003 ,5(5) :48 - 49.2 耿鲁怡
13、,徐六飞 . UG结构分析培训教程 M .北京 :清华大学出版社 ,2005 (1) :42 - 44.3 栾丽君 ,毛君 ,任立义 . 串联盘式管道连续输送机布置方式及力学分析 J .机械设计 ,2005 (1) :44 - 46.作者简介 : 栾丽君 (1963 - ) ,女 ,黑龙江七台河人 ,工业设计系主任 ,教授 ,2005 年东北大学机械设计及理论专业获博士学位 ,主要研究方向 :机电一体化技术、物流系统自动化及工业产品造型设计 ,E - mail :senluan sina. com.收稿日期 :2005209206 432 基于 UG的驱动轮有限元分析 栾丽君 ,等 第 27 卷第 3 期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
