一級(jí)圓錐齒輪減速器的CAE技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、 一級(jí)圓錐齒輪減速器的CAE技術(shù) [摘要] 隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，漸開線齒輪傳動(dòng)減速器的需求量越來(lái)越大，質(zhì)量要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAE技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無(wú)論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對(duì)于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起了巨大的作用。對(duì)減速器進(jìn)行CAD/CAE下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技發(fā)展的規(guī)律，也會(huì)使各自的應(yīng)用、研究及發(fā)展獲得意想不到的效果。Pro／MECHANICA Structure 是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元模塊，它

2、不僅能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷，而且能夠測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、模態(tài)、翹曲、疲勞、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、振動(dòng)等分析。本課題主要以 Pro/E軟件為工具，進(jìn)行了圓錐齒輪減速器的虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，齒輪齒闊的靜應(yīng)力分析，完成了減速器的CAE過(guò)程。 [關(guān)鍵詞] 圓錐齒輪減速器 裝配 運(yùn)動(dòng)仿真 參數(shù)化設(shè)計(jì) Pro/Mechanic Structure 有限元分析 The CAE technology of Level taper gear reducer Abstract：Al

3、ong with the science and technology and the national economy development, the demand of involute gears transmission reducer is biger and biger, the quality requirement is also higher and higher, and the design method of traditional gear reducer oneself can not satisfy the user’s the demand, the CAD/

4、CAE technology rapid development causes it regardless of in domains and so on machinery, electron, aviation, building has all obtained the successful application. This regarding play the huge role to enhance product performance and quality, reduce product development cycle, reduce the cost and stren

5、gthen the market competitive power。The gear for modeling and simulation under CAD/CAE is the combination of traditional and modern technology, it not only conform to the rules, also can make their application, research and development to acquire the result that is not expected. Pro／MECHANICA Struct

6、ure is a static and dynamic structural analysis in one of the finite element module，it not only simulate the real environment and impose restraint and load for a model, also can measure the model of stress, strain, displacement and other parameters, besides it can also realize the static, modal, war

7、ping, fatigue, dynamic response, vibration analysis, etc. This subject mainly make use of the Pro/E software to achieve taper gear reducer of virtual design and motion simulation, and the static stress anylsys of gear tooth, and complete CAE process of the reducer. Keywords： Taper gear reducer

8、 assembly Motion simulation Parametric design Pro/Mechanic Structure Finite element analysis 目 錄 1 引 言 1 1.1 概述 2 1.2 減速器的類型及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo) 3 1.2.1減速器的分類 3 1.2.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo) 3 1.3 減速器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 4 1.4計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在制造業(yè)中的

9、應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.4.1計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.4.2 CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀 7 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 12 2.1 傳動(dòng)方案擬定 12 2.2 電動(dòng)機(jī)類型選擇 12 2.3 確定傳動(dòng)裝置的中傳動(dòng)比和分配級(jí)傳動(dòng)比 12 2.4 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì) 13 2.5 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 14 2.5.1選定齒輪傳動(dòng)類型、材料、熱處理方式、精度等級(jí) 14 2.5.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 14 2.5.3按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 16 2.5.4齒輪幾何尺寸計(jì)算 17 2.5.5錐齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度校核 19 2.5.6錐齒輪的結(jié)構(gòu)

10、 19 2.6 軸及軸承的設(shè)計(jì)與選擇 19 2.6.1求輸出軸、輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 19 2.6.2求作用在齒輪上的力 19 2.6.3初步確定軸的最小直徑 20 2.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 2.6.5求軸上的載荷 22 2.6.6按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 24 2.7箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 2.8潤(rùn)滑方式及密封件選擇 26 3圓錐齒輪減速器的三維建模 27 3.1輸入、輸出軸的三維建模 27 3.1.1輸入軸的三維建模 27 3.1.2輸出軸的三維建模 29 3.2輸入、輸出軸上錐齒輪的參數(shù)化建模 29 3.2.1輸入軸上錐齒輪的參數(shù)化建模 29 3.

11、2.2輸出軸上錐齒輪的三維建模 36 3.3減速器箱體的三維建模 37 3.3.1減速器上箱體的建模 37 3.3.2減速器下箱體的三維建模 40 3.4軸承端蓋及其它零部件的三維建模 41 4 圓錐齒輪減速器的裝配與運(yùn)動(dòng)仿真 43 4.1裝配 43 4.1.1零件裝配基本流程 43 4.1.2裝配過(guò)程中常用的方法 43 4.1.3裝配齒輪減速器 44 4.2運(yùn)動(dòng)仿真 50 4.2.1運(yùn)動(dòng)仿真概述 50 4.2.2齒輪減速器的運(yùn)動(dòng)仿真 50 5 有限元分析 55 5.1 Pro/Mechanic Structure有限元分析 55 5.1.1Pro/Mechani

12、c Structure的主要功能 55 5.1.2Pro/Mechanic Structure的分析類型 56 5.1.3圓錐齒輪的有限元分析 56 5.1.4圓錐齒輪的有限元分析結(jié)果 63 總 結(jié) 64 致 謝 65 參考文獻(xiàn) 66 附 錄 67 III 1 引 言 原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)和工作機(jī)（執(zhí)行機(jī)）是機(jī)械系統(tǒng)的三大基本構(gòu)成。原動(dòng)機(jī)提供基本的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。工作機(jī)是機(jī)械具體功能的執(zhí)行系統(tǒng)，隨機(jī)械功能的不同，工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)形式千差萬(wàn)別。由于原動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的單一性、簡(jiǎn)單性與工作機(jī)運(yùn)動(dòng)的多樣性、復(fù)雜性之間的矛盾，需用傳動(dòng)機(jī)將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，如速度、力或力矩的大小和

13、方向等進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳遞給工作機(jī)，以適應(yīng)工作機(jī)的需要?？梢?，只要原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力輸出不能滿足工作機(jī)的要求，傳動(dòng)機(jī)的存在就是必然的。目前在工程實(shí)際中，廣泛使用的傳動(dòng)裝置有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。在普通齒輪傳動(dòng)中，單級(jí)傳動(dòng)比小，且由于重合度的限制，其承載能力受到一定的影響，因此研究一種新型，高性能的傳動(dòng)裝置顯得十分必要。 在傳動(dòng)裝置中，國(guó)內(nèi)外大多采用的是齒輪傳動(dòng)及其變形，同時(shí)擺線針輪減速器等相繼研制成功并推廣使用。與齒輪減速器相比，連桿凸輪減速器的單級(jí)傳動(dòng)比大；借助一齒差原理大幅度提高了重合度，因而承載能力提高；高副處為滾動(dòng)摩擦因而摩擦力小，機(jī)械效率高。采用的是一齒差原理，

14、是一種傳動(dòng)比大，承載能力大，機(jī)械效率高的傳動(dòng)裝置。在擺線針輪減速器中轉(zhuǎn)臂軸承受力較大，其轉(zhuǎn)速又高于高速軸的轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)臂軸承的尺寸又受到限制，故轉(zhuǎn)臂軸承成為薄弱環(huán)節(jié)。 為克服上述減速傳動(dòng)的缺點(diǎn)并保留其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)裝置的高性能、低成本和小型輕量化，從傳動(dòng)原理上創(chuàng)新了一種新型的連桿凸輪減速器，該減速器與近年來(lái)成功研制的雙曲柄環(huán)板針擺行星減速器類似，不僅保留了環(huán)板式傳動(dòng)可省去輸出機(jī)構(gòu)而輸出軸剛性好；轉(zhuǎn)臂軸承由行星輪內(nèi)移至行星輪外，尺寸不再受限制，從而傳遞的轉(zhuǎn)矩可以較現(xiàn)有的擺線針輪減速器更大等優(yōu)點(diǎn)，而且又保留了原擺線針輪行星減速器同時(shí)嚙合齒數(shù)多，總法向力與總圓周力間夾角小、擺線輪與針輪齒均為硬

15、齒面等本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有以漸開線為齒形的諸種環(huán)板式減速器難以避免的缺點(diǎn)。因此，連桿凸輪減速器是一種體積小、重量輕、傳動(dòng)比范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、輸出軸剛性大、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩范圍更大、并具有很高實(shí)用價(jià)值的新型減速器。 在我國(guó)CAD、CAE已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁Ｒ驗(yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，不是輔助繪圖，設(shè)計(jì)不但要想到產(chǎn)品的機(jī)械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。要真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過(guò)二維視圖描述三維實(shí)體，但它做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到

16、生產(chǎn)的自動(dòng)化，甚至二維視圖描述會(huì)出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤，于是必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計(jì)手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體?！　? 激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已使工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家清楚意識(shí)到：能更快地推出優(yōu)秀的新產(chǎn)品，就能占領(lǐng)更多的市場(chǎng)。為此，CAD/CAE方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來(lái)越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。從設(shè)計(jì)產(chǎn)品和對(duì)性能的簡(jiǎn)單校核，逐步發(fā)展到性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，再到工作過(guò)程的精確模擬，使人們對(duì)CAD/CAE方法充滿信賴。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究的主要手段和工具，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮重大作用。 此次設(shè)計(jì)是在以前有關(guān)連桿凸輪減速

17、器的研究基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代化的CAD、CAE軟件對(duì)連桿凸輪減速器進(jìn)行3D建模、虛擬裝配，構(gòu)造虛擬數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行各類進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。該過(guò)程將方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件建模、動(dòng)態(tài)模擬裝配、模態(tài)分析、高級(jí)渲染、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真以及工程圖繪制等設(shè)計(jì)全過(guò)程集于一個(gè)軟件當(dāng)中，這樣做可以更加有效地更加快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，大大降低產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)成本，全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工程，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書介紹有關(guān)減速器的基本情況，了解連桿凸輪減速器的研發(fā)過(guò)程和工作原理，主要對(duì)該減速器的零件進(jìn)行數(shù)字化3D建模設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的研究。

18、 1.1 概述 減速器是指原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)的增大轉(zhuǎn)矩，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，并直接影響機(jī)械系統(tǒng)的性能。由齒輪、軸、軸承及箱體組成的齒輪減速器，用在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛，是一種不可缺少的機(jī)械傳動(dòng)裝置此外；在某些場(chǎng)合，也有作增速的裝置，并稱為增速器。減速器是工程實(shí)際應(yīng)用中常用的傳動(dòng)裝置。就目前現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展情況來(lái)看，一般的機(jī)械系統(tǒng)通常包括三部分：原動(dòng)機(jī)部分，執(zhí)行部分，傳動(dòng)部分，其中傳動(dòng)部分位于原動(dòng)機(jī)與執(zhí)行部分之間。由于機(jī)械的功能是各式各樣的，所以要求的運(yùn)動(dòng)形式也是各式各樣的。同時(shí)，所

19、要克服的阻力也會(huì)隨著工作情況而異。但是原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)卻是有限的，而且是確定的，這就提出了必須把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)部分及運(yùn)動(dòng)參數(shù)問(wèn)題，而這個(gè)任務(wù)就是傳動(dòng)部分來(lái)完成的，因此，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)中不可缺少的重要部分。 另外，我們使用機(jī)械時(shí)，所用的原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）其輸出轉(zhuǎn)速是一定的，如果要達(dá)到需要的轉(zhuǎn)速時(shí)，只需選用足夠大的傳動(dòng)比即可，相反，如果采用低速電動(dòng)機(jī)，經(jīng)濟(jì)上不劃算，且低速電機(jī)體積龐大。因此，在機(jī)械系統(tǒng)中，最主要的是傳動(dòng)部分，其傳動(dòng)裝置以減速器為代表。 1.2 減速器的類型及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo) 1.2.1減速器的分類 減速器的種

20、類很多，常見的減速器按其傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可劃分為以下幾種： （1）齒輪減速器 主要有圓柱齒輪減速器，圓錐齒輪減速器和圓錐—圓柱齒輪減速器。 （2）蝸桿齒輪減速器 主要有圓柱蝸桿減速器，環(huán)面蝸桿減速器和錐蝸桿減速器 （3）蝸桿—齒輪減速器及齒輪—蝸桿減速器 （4）行星齒輪減速器 （5）擺線針輪減速器 （6）諧波齒輪減速器 上述六種減速器已有標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，使用時(shí)只需結(jié)合傳動(dòng)功率，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比，工作條件和機(jī)器的總體布置等具體要求，從產(chǎn)品目錄或有關(guān)手冊(cè)中選擇便可。新型減速器的研發(fā)將為用戶提供更大的選擇范圍，并為現(xiàn)有減速器增添一種新傳動(dòng)理論。 1.2.2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo) 減速器性能

21、的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是減速器的一項(xiàng)重要的技術(shù)要求，一臺(tái)減速器性能的優(yōu)劣完全是由其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系來(lái)體現(xiàn)的。往往產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須遵循一定的指標(biāo)，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，又必須建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系看產(chǎn)品的實(shí)際情況可以達(dá)到多少。目前，減速器的評(píng)價(jià)體系包括以下幾方面： （1）傳動(dòng)比 傳動(dòng)比是減速器的重要指標(biāo)，從而以滿足減速要求，目前減速器的傳動(dòng)比種類很多，最小可是1，如果用三級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)比可達(dá)到500。 （2）效率 效率反映的是傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)力的能力大小的指標(biāo)。 （3）承載能力 與效率相似，承載能力亦是傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映裝置在額定條件下，裝置單位重量所傳遞扭矩的多少。 （4）

22、制造成本 按照通俗的看法對(duì)產(chǎn)品的要求就物美價(jià)廉，制造成本反映的是指價(jià)廉，一臺(tái)產(chǎn)品必須在滿足傳動(dòng)比、效率、承載能力、抗振、噪聲以外，力求節(jié)約成本，這樣才能在同類產(chǎn)品中具有競(jìng)爭(zhēng)力。 （5）振動(dòng)、噪聲 振動(dòng)、噪聲也是機(jī)械系統(tǒng)的重要指標(biāo)，降低噪聲和振動(dòng)不但可以延長(zhǎng)機(jī)器壽命而且可以體現(xiàn)機(jī)器在結(jié)構(gòu)上的緊湊性。 1.3 減速器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)前所用原動(dòng)機(jī)大都是電動(dòng)機(jī)。在調(diào)速電機(jī)還沒(méi)完全普及時(shí)，減速器仍有較大潛力可挖，應(yīng)用前景廣闊。減速器主要應(yīng)用于機(jī)械制造、輕工、化工、冶金、礦山機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械等行業(yè)，減速器的應(yīng)用仍很廣。從生產(chǎn)方面來(lái)看，減速器的生產(chǎn)大部分由專門減速器廠生產(chǎn)。所以在供需方面減速器

23、并不是主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品市場(chǎng)的，但它的市場(chǎng)前景是樂(lè)觀的。 就目前的工作過(guò)程應(yīng)用中的減速器來(lái)分析，作為機(jī)械系統(tǒng)中起著重要作用的傳動(dòng)部件來(lái)，減速器的局限性也非常明顯。 首先，從傳動(dòng)比方面來(lái)說(shuō)，作為一個(gè)重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，傳動(dòng)比并不是任意設(shè)定的，它的變化給減速器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了數(shù)字變化的設(shè)計(jì)重復(fù)性。 其次，從效率方面來(lái)說(shuō)，它是機(jī)械系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)傳遞動(dòng)力的能力大小，而傳遞的動(dòng)力除受其輸出系統(tǒng)的影響外，就受減速器本身的影響，而目前采用的減速器均為傳動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)，例如，連桿凸輪減速器裝置在同類產(chǎn)品中應(yīng)當(dāng)算比較高的效率了，可以達(dá)99%以上，這在目前是一個(gè)極限數(shù)字。 最后，目前采用的減速器均使

24、用機(jī)械傳動(dòng)。其接觸副均為點(diǎn)、線接觸。這將導(dǎo)致摩擦、誤差產(chǎn)生，從而使傳動(dòng)效率降低。因此，常見的齒輪、蝸桿、滾子等減速器均是從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來(lái)的，它們可以歸結(jié)為同一類型。所以減速器在其設(shè)計(jì)思路上有一定局限性。 當(dāng)前齒輪減速器普遍存在著體積大、重量大，或者傳動(dòng)比大而機(jī)械效率過(guò)低的問(wèn)題。當(dāng)前各國(guó)齒輪和齒輪減速器向著高承載能力、高齒面硬度、高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪聲、標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化方向發(fā)展，即六高、二低、二化發(fā)展的總趨勢(shì)。減速器和齒輪的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。 總之，隨著科技的進(jìn)步，減速器領(lǐng)域?qū)?huì)有一次大的突破。然而，任何產(chǎn)品的發(fā)展都是以整個(gè)

25、行業(yè)為背景的，受各行業(yè)現(xiàn)有水平的限制，這也就是說(shuō)減速器的發(fā)展仍會(huì)有較大的潛力可挖。 1.4計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 1.4.1計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 在工程技術(shù)界，系統(tǒng)仿真是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)，去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支，系統(tǒng)仿真很大程度上指的就是計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面，控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展，促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用；另一方面，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支撐?！∮?jì)算機(jī)仿真作為必不可少的工具，在減少損失、節(jié)約

26、經(jīng)費(fèi)、縮短周期、提高質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用?！　? （1）計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一般都占有最大的比重，自70年代以來(lái)，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展，產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短，一些自動(dòng)化技術(shù)如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPⅡ及CIMS都得到快速發(fā)展。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段，通?？梢詽B透到它們當(dāng)中去，并幫助它們實(shí)現(xiàn)集成，從而促進(jìn)了一些先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。到80年代，仿真領(lǐng)域逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng)，并且呈現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的局面?！　? 本質(zhì)上講，仿真技術(shù)就是建立仿真模型和對(duì)模型實(shí)驗(yàn)的一種技術(shù).計(jì)算機(jī)仿真過(guò)

27、程的實(shí)現(xiàn)一般都可由計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言、仿真語(yǔ)言和仿真軟件來(lái)完成?！〉湫偷姆抡孳浖蟹抡姝h(huán)境、仿真語(yǔ)言和程序包3種形式，其功能覆蓋是不完全相同的。從下到上，大體反映了仿真軟件的發(fā)展過(guò)程。到80年代中后期，開始出現(xiàn)了一體化仿真環(huán)境?，F(xiàn)在，面向制造系統(tǒng)的仿真出現(xiàn)了一體化支撐軟件，實(shí)現(xiàn)了仿真建模、仿真運(yùn)行、輸出分析的集成環(huán)境，仿真監(jiān)控運(yùn)用了并發(fā)執(zhí)行機(jī)制，在數(shù)據(jù)庫(kù)管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果的統(tǒng)一管理，人工智能技術(shù)也應(yīng)用在仿真建模、仿真運(yùn)行和仿真結(jié)果的分析中。 （2）計(jì)算機(jī)仿真的研究熱點(diǎn)及對(duì)制造業(yè)的影響 80年代以來(lái)，系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向發(fā)展，在制造業(yè)方面，一個(gè)比較明顯的進(jìn)展

28、就是“虛擬制造”.根據(jù)虛擬制造的概念，整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題?！　? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR——Virtual Reality)亦稱虛擬環(huán)境技術(shù)、靈境技術(shù)，是一種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù).它是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多門科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它有“靈境(Immersive)”和“交互感(Interactive)”2個(gè)基本特征。通過(guò)基本特征，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能描述事物內(nèi)部及相互間真實(shí)的作用和交互，使用戶仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中，從而拉近了用戶與環(huán)境之間的距離，改變了

29、人機(jī)交流的方式。利用VR技術(shù)的這些特性，可以對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)階段提供支持，例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線，測(cè)試和裝配產(chǎn)品的零部件，客戶可以驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求等?！　? 近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)研究熱點(diǎn)——虛擬產(chǎn)品開發(fā)也是引人注目的。虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD——Virtual Product Development)首先源于并行工程（CE）思想。這種思想將現(xiàn)代先進(jìn)的組織形式跟現(xiàn)代的哲學(xué)、文化混合為一體，是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過(guò)程(制造過(guò)、使用和支持過(guò)程)進(jìn)行并行的、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化模式的工作。CE能在產(chǎn)品開發(fā)一開始就考慮到投資、制造、裝配、銷售和維護(hù)及報(bào)廢等整個(gè)生命周期

30、的所有因素，這對(duì)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的矛盾非常有益。VPD就是在CE方法論的指導(dǎo)下，把CAD、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來(lái)，形成一個(gè)虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下策劃產(chǎn)品、設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能、特征以及真實(shí)工況下所具有的響應(yīng)，從而減少反復(fù)和變更的次數(shù)，減少甚至取消制作物理原型樣機(jī)，如此就能很好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大量地節(jié)省開發(fā)費(fèi)用。VPD仿真技術(shù)是仿真技術(shù)發(fā)展的又一重要領(lǐng)域，它能深入到各種復(fù)雜產(chǎn)品的制造中，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益?！　? 現(xiàn)在，仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復(fù)雜的大系統(tǒng)。當(dāng)仿真對(duì)象分布于廣闊的時(shí)空

31、領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類型(包括人在內(nèi))的仿真對(duì)象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生了分布交互化仿真(DIS)。這種仿真系統(tǒng)包含有不同類型的實(shí)體—虛體、真實(shí)實(shí)體和構(gòu)造實(shí)體，這些實(shí)體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成，并允許它們交互操作。DIS實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同地點(diǎn)的仿真設(shè)備連接起來(lái)，通過(guò)實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時(shí)空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在這種復(fù)雜的分布綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí)，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應(yīng)的處理。美國(guó)是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國(guó)家，已經(jīng)完成了多項(xiàng)基于虛擬仿真的DIS工程項(xiàng)目，相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在

32、完成?！　? 在制造行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了類似于DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè)。此外，為了適應(yīng)快速變化的世界市場(chǎng)，克服單個(gè)企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)限內(nèi)，為了某一市場(chǎng)機(jī)遇，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)聯(lián)結(jié)的一種動(dòng)態(tài)聯(lián)盟——虛擬企業(yè)?！　? 圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到終止使用的整個(gè)生命周期，再?gòu)臎Q策者、設(shè)計(jì)師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品，仿真技術(shù)已顯示出它強(qiáng)大的生命力和發(fā)展?jié)摿Α！∶嫦?1世紀(jì)，同其他領(lǐng)域一樣，制造領(lǐng)域的仿真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大，仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。 1.4.2 CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀

33、 （1） 國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀 用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但可以使設(shè)計(jì)人員“甩掉圖板”，更新傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力；還可以使企業(yè)由原來(lái)的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。建模技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用，代表了CAD技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用。從20世紀(jì)60年代至今，三維建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過(guò)程。三維CAD以三維造型設(shè)計(jì)為

34、基礎(chǔ)，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD/CAE技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬狀配、工程圖生成、動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來(lái)了革命性得突破，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維設(shè)計(jì)的真正意義不僅僅在于設(shè)計(jì)模型本身，而是設(shè)計(jì)出模型的后處理工作?！　? 三維CAD/CAE技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：三維造型/三維設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析/仿真、裝配干涉檢驗(yàn)、三維轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過(guò)程的三維CAD/CAE系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)以后，不僅使設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)（強(qiáng)度、剛度、重量和成本等）都達(dá)到最佳狀態(tài)，這是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

35、計(jì)和輔助工程分析的根本目的。三維CAD/CAE符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD/CAE技術(shù)不僅解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程圖繪制的問(wèn)題，更重要的是利用三維CAD/CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，所生產(chǎn)的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD/CAE技術(shù)的使用，已經(jīng)逐步同使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)人員的一種基本技能。　　 目前在我國(guó)CAD、CAE已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。但很多企業(yè)，

36、也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)出圖的現(xiàn)狀，當(dāng)然計(jì)算機(jī)出圖是有很多優(yōu)點(diǎn)的，漂亮、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果只是停留在這個(gè)階段，就失去了CAD的作用，因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，不是輔助繪圖。既然是設(shè)計(jì)就不但想到產(chǎn)品的機(jī)械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。要真正做到這一點(diǎn)，單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過(guò)二維視圖描述三維實(shí)體，但它做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動(dòng)化，甚至二維視圖描述會(huì)出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤，于是必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計(jì)手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。為此

37、，CAD/CAE方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來(lái)越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。從設(shè)計(jì)產(chǎn)品和對(duì)性能的簡(jiǎn)單校核，逐步發(fā)展到性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，再到工作過(guò)程的精確模擬，使人們對(duì)CAD/CAE方法充滿信賴。然而，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不但需要提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，而且要降低產(chǎn)品的成本，因此人們需要找到最合理和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。雖然分析人員可以不厭其煩地在屏幕前一次次修改設(shè)計(jì)參數(shù)以尋找最理想方案，但縮短開發(fā)周期的壓力通常要求分秒必爭(zhēng)，人們可能沒(méi)有更多的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整。于是，對(duì)CAD/CAE技術(shù)及其應(yīng)用的研究也達(dá)到一個(gè)新高度?！　? （2）CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)

38、輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程的核心，CAE具有以下功能: (a) 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性； (b) 與優(yōu)化技術(shù)配合，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案 ； (c) CAE所起到的虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性，甚至產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與環(huán)境等之間的相容性； (d) 知識(shí)的獲取是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，CAE才能真正提高設(shè)計(jì)者的知識(shí)技能，而其他手段通常都只能起到使設(shè)計(jì)者工作更順手、能更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖等作用，較少增加關(guān)鍵知識(shí)。　　 歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，CAE技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)。CAE分析

39、利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力所起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過(guò)程，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期、減少了成本。但是，目前眾多的設(shè)計(jì)單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開，由不同的人或部門來(lái)完成設(shè)計(jì)與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評(píng)判等過(guò)程，造成了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的不暢通。事實(shí)上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程中，CAE應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段和環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析一體化。　　 “CAE融入設(shè)計(jì)全過(guò)程”的觀點(diǎn)已經(jīng)得到世界上許多著名公司的廣泛認(rèn)可。設(shè)計(jì)工程師將其工作經(jīng)驗(yàn)與系列軟件相結(jié)合，以準(zhǔn)確了解設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、及時(shí)把握設(shè)計(jì)方向，從而省時(shí)省錢，在競(jìng)爭(zhēng)中取勝

40、。　　 （3）CAE優(yōu)化方法 設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)際上就是尋找最佳設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過(guò)改變某些允許改變的設(shè)計(jì)變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。因此CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)所起的作用是極其重要的，與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計(jì)效率。它可進(jìn)行如下工作： (a)在有限元分析矩陣上利用高階級(jí)數(shù)展開的方法求解目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量之間的復(fù)雜關(guān)系； (b)“一次有限元計(jì)算”即可完成整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程； (c)與CAD軟件聯(lián)合進(jìn)行形狀參數(shù)優(yōu)化?！　? 優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對(duì)解析函數(shù)求極值的方法來(lái)達(dá)到尋求最優(yōu)值的

41、目的?；跀?shù)值分析技術(shù)的CAE方法，顯然不可能對(duì)我們的目標(biāo)得到一個(gè)解析函數(shù)，CAE計(jì)算所求得的結(jié)果只是一個(gè)數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使CAE中的優(yōu)化成為可能，多個(gè)數(shù)值點(diǎn)可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來(lái)。樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利用上次計(jì)算的結(jié)果再次插值得到一個(gè)新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會(huì)越來(lái)越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的曲面可以代表目標(biāo)曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。這就是CAE方法中的優(yōu)化處理過(guò)程，其通常需要經(jīng)過(guò)參數(shù)化建模、求解、優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)

42、等步驟完成?！　? 現(xiàn)代CAE技術(shù)的發(fā)展已使人們的分析領(lǐng)域擴(kuò)展到了各行各業(yè)的每個(gè)角落，所研究問(wèn)題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場(chǎng)分析轉(zhuǎn)向了多場(chǎng)耦合分析，以追求更為真實(shí)的模擬結(jié)果。CAE軟件的優(yōu)化技術(shù)的適應(yīng)范圍也必然隨之?dāng)U展，不但要求它能解決各種單場(chǎng)問(wèn)題，而且應(yīng)該能處理多場(chǎng)耦合過(guò)程的優(yōu)化?！　? （4）CAD/CAE技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)力求高效率、高質(zhì)量、低成本，這對(duì)CAE分析工具也提出了更高的要求：有足夠技術(shù)手段來(lái)真實(shí)地模擬產(chǎn)品工作行為。即真實(shí)模擬，它涉及到許多高難問(wèn)題：高度非線性、多物理場(chǎng)耦合及產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜裝配體模型等。把設(shè)計(jì)工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái),

43、將提高系統(tǒng)的實(shí)用性和先進(jìn)性?！　? 因此，分析面廣、分析程度深、分析對(duì)象復(fù)雜及應(yīng)用便捷是現(xiàn)代CAE應(yīng)用的發(fā)展方向，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決“真實(shí)模擬”的問(wèn)題。　　 因而在這樣的背景下，CAD技術(shù)主要具有以下幾方面的發(fā)展趨勢(shì)∶ 標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、集成化、智能化和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)與CAD的集成。　　 這種趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾方面∶ 真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場(chǎng)耦合以及多尺度耦合分析、適應(yīng)于超級(jí)并行計(jì)算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE求解技術(shù)、GUI＋多媒體的用戶介面?！　? （5）CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用展望 CAD/CAE技術(shù)的

44、發(fā)展必定推動(dòng)其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個(gè)階段發(fā)揮更大的作用?！　? (a)概念設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演。主要有三個(gè)方面的應(yīng)用：市場(chǎng)調(diào)研；技術(shù)設(shè)計(jì)，包括各種方案的計(jì)算機(jī)效果模擬和分析仿真論證；評(píng)估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施?！　? (b)在概念設(shè)計(jì)完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計(jì)。這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評(píng)估產(chǎn)品的性能(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力特性和生產(chǎn)性等)。該階段需要操作簡(jiǎn)單、使用方便的CAE軟件，以便用最少的時(shí)間完成評(píng)估工作?！? (c)樣機(jī)制造階段是根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗(yàn)樣機(jī)的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用

45、CAE軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)?！　? (d)產(chǎn)品測(cè)試評(píng)估階段主要是利用各種測(cè)試和評(píng)估手段對(duì)產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實(shí)的評(píng)價(jià)，從而為設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。 隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，漸開線齒輪傳動(dòng)減速器的需求量越來(lái)越大，質(zhì)量要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無(wú)論在機(jī)械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對(duì)于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起了巨大的作用?！? 總之，對(duì)連桿減速器進(jìn)行CAD/CAE下的建模和仿真，是傳

46、統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技發(fā)展的規(guī)律，也會(huì)使各自的應(yīng)用、研究及發(fā)展獲得意想不到的效果。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 2.1 傳動(dòng)方案擬定 （1）工作條件：使用年限10年，300天為一年，工作為兩班工作制。 （2）原始數(shù)據(jù)：變速箱傳遞作功率約為1.8(KW)； n1w為250r/min； 傳動(dòng)比為2.3； 軸夾角∑為90。 方案擬定：由設(shè)計(jì)要求知采用V帶傳動(dòng)與一級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)，即可滿足傳動(dòng)比要求。 2.2 電動(dòng)機(jī)類型選擇 （1）電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)的選擇： 選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，此系列電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方

47、便，適用于不易燃，不易爆，無(wú)腐蝕性氣體和無(wú)特殊要求的機(jī)械。 （2）電動(dòng)機(jī)功率選擇 式Ｐd＝ＰＷ／η總　 (kw) 其中η總為電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率。 η總=η１η２2η３ 式中：η1、η2、η3、分別為齒輪傳動(dòng)、軸承、帶傳動(dòng)的傳動(dòng)效率。 取η１=0.96，η２＝0.98，η３＝0.96，則：　η總=0.960.9820.96 =0.89. 所以：電機(jī)所需的工作功率： Ｐd＝ＰＷ／η總＝2.02(KW) （3）確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 nd＝ixnw＝2.3x250＝575r/min 根據(jù)所得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速查取手冊(cè)選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y112M—6，其同步轉(zhuǎn)速為10

48、00r/min，滿載轉(zhuǎn)速為940 r/min，額定功率2.2KW。 2.3 確定傳動(dòng)裝置的中傳動(dòng)比和分配級(jí)傳動(dòng)比 由選定的電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm和工作機(jī)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速nw （1）可得傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比為： ia=nm/nw= 940/250=3.76 總傳動(dòng)比等于各傳動(dòng)比的乘積 分配傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比 ia=i0i （式中i0、i分別為帶傳動(dòng) 和減速器的傳動(dòng)比） （2）分配各級(jí)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取i=2.3 所以： i0=1.63 2.

49、4 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì) 將傳動(dòng)裝置各軸由高速至低速依次定為Ⅰ軸，Ⅱ軸： i0,i1，......為相鄰兩軸間的傳動(dòng)比 η01，η12，......為相鄰兩軸的傳動(dòng)效率 PⅠ，PⅡ，......為各軸的輸入功率 （KW） TⅠ，TⅡ，......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （Nm） nⅠ,nⅡ,......為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 （r/min） 圖1.1傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖 （1）各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸：nⅠ=nm/ i0 =940/1.63=575(r/min） Ⅱ軸：nⅡ= n1w=250(r/min) （2）各軸功率

50、 Ⅰ軸： PⅠ=Pdη01 =2.020.96=1.94（KW） Ⅱ軸： PⅡ= PⅠη12 =1.940.960.98=1.8（KW） （3）各軸轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為： Td=9550Pd/nm=95502.02/940=20.52 Nm Ⅰ軸： TⅠ= Tdi0η01=32.2 Nm Ⅱ軸： TⅡ= TⅠi1η12=32.22.30.960.98=69.7 Nm 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算數(shù)值見下表： 表2.1運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表 轉(zhuǎn)速/r/min 功率/KW 轉(zhuǎn)矩/ Nm Ⅰ軸 575 1.94 32.

51、2 Ⅱ軸 250 1.8 69.7 2.5 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 2.5.1選定齒輪傳動(dòng)類型、材料、熱處理方式、精度等級(jí) （1）齒輪類型由設(shè)計(jì)要求知選用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪。 （2）通用減速器的傳動(dòng)精度范圍為6—8級(jí)，故選用7級(jí)精度。 （3）查表選用小齒輪的材料為40cr(調(diào)質(zhì)處理)，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼（調(diào)制處理），硬度為240HBS。二者材料的硬度差為40HBS. 初選小齒輪的齒數(shù)為Z1=22 則大齒輪的齒數(shù)為Z2=2.322=51。 2.5.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 計(jì)算小齒輪分度圓直徑 d1≥2.92 確定公式內(nèi)各參數(shù)值 （1）試選

52、載荷系數(shù)Kt=1.3 （2）小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩 T1=9.55106PⅠ/n1=2. 99104 Nmm （3） 齒寬系數(shù) 取=0.33 （4）材料彈性影響系數(shù) 查表得 ZE= 189.8 （5）查表得 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 （6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=605751(2830015) =2. 484109 N2=1.08109 （7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1. 計(jì)算 （1） 試算小齒輪分度圓直徑d1，代入[]中較小的值 d1≥2.92 =55.4m

53、m （2）計(jì)算小齒輪的圓周速度 （3）計(jì)算齒寬b Rt=d1/2=69.5 =b/R得 b=Rt =22.9 mm （4） 計(jì)算mt mt= d1/z1=55.4/22=2.52 （5）計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)小齒輪的圓周速度V=1.39，7級(jí)精度，查圖得 動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.03 齒間載荷分配系數(shù) KHa=KFa=1 使用系數(shù) KN=1.00 齒向載荷分布系數(shù) KH= KF=1.5 KHbe 查表得 KHbe=1.25， 則KH= KF=1.51.25=1.875 齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) YFa YSa 由于當(dāng)量齒數(shù)

54、Zv1=Z1/cos=24 Zv2= Z2/cos(90-)=129 查表得 YFa1=2.65 YSa1=1.58 YFa2=2.16 YSa2=1.81 故載荷系數(shù) K=KAKv KHa KH=1.93 （6）按實(shí)際載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 d1= d1=63.2mm （7）計(jì)算模數(shù) m= d1/Z1=63.2/22=2.87 2.5.3按齒跟彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式 m≥ 確定公式內(nèi)各參數(shù)值 （1）由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限

55、 = 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 = （2）由圖差得彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.85 KFN2=0.9 （3）取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4 得 []=KFN1/S= []=KFN2/S= （4）計(jì)算載荷系數(shù) K=KAKv KFaKF=1.931 （5）齒形系數(shù) YFa1=2.65 YFa2=2.16 YSa1=1.58 YS a2=1.81 （6）計(jì)算大、小輪的 并加以比較 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥ 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，得齒面接觸

56、疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的模數(shù)。由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)2.43，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2.5mm。 接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=63.2mm，算出 小齒輪齒數(shù) Z1= d1/m=63.2/2.5≈25 大齒輪齒數(shù) Z2=2.525≈58 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。 2.5.4齒輪幾何尺寸計(jì)算 （1）計(jì)算分度圓直徑 d1= Z1m=252.5=62.5mm d2 =

57、 Z2m=145mm （2）計(jì)算齒輪寬度 b=R R=d1 =78.4 b=0.3378.4=25.9 標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)及尺寸（） 表2.2錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)和尺寸 名稱 代號(hào) 計(jì)算公式 小齒輪 大齒輪 分錐角 =arctan(z1/z2)=23.32 =90-23.32=66.68 吃頂高 ha Ha=ha*m=1m=2.5mm 齒根高 hf Hf=( ha*+c*)m=1.2b=3mm 分度圓d d d1=mZ1=62.5mm d2=145mm 齒頂圓d da da1=d1+

58、2hacos=67.1mm da2=147.0mm 齒根圓d df df1=d1-2hf cos=57.0 df2=142.6 錐距 R d1=78.4 齒根角 tan=hf/R=2.19 頂錐角 根錐角 分度圓齒厚 s s= 當(dāng)量齒數(shù) Z Z=Z/ cos=27 Z=147 齒寬 B B= 齒數(shù) Z Z=25 Z=58 2.5.5錐齒輪齒跟彎曲疲勞強(qiáng)度校核 故 同樣可得： 并且： 由上可得： , 故滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。

59、 2.5.6錐齒輪的結(jié)構(gòu) 由于小齒輪及大齒輪的齒頂圓直徑小于160mm , 故可將大、小齒輪做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪。 2.6 軸及軸承的設(shè)計(jì)與選擇 2.6.1求輸出軸、輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 由前面計(jì)算可得： 表2.3運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表 轉(zhuǎn)速/r/min 功率/KW 轉(zhuǎn)矩/ Nm Ⅰ軸 575 1.94 32.2 Ⅱ軸 250 1.8 69.7 2.6.2求作用在齒輪上的力 其齒輪受力如2.2圖所示： 圖2.2齒輪受力圖 輸出軸上的齒輪： 圓周力：

60、 徑向力： 壓力角 軸向力： 其中由錐齒輪的受力分析可知; 且 (為輸入軸上的齒輪所受的力) 2.6.3初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)制處理。查表得A0=110： 確定 輸入軸與帶輪相連接，令 輸出軸與聯(lián)軸器相連接，其輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器出軸的直徑。為使所選的軸的最小直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號(hào)。 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩：,查表取。 則：=104.6Nm 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查表選用LX1型號(hào)的彈性柱銷聯(lián)

61、軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩為250Nm，半聯(lián)軸器孔徑d1=24mm(j1型)。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度L=38mm。 2.6.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 根據(jù)周向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度 根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求及裝配要求最終所確定的軸的各段直徑和長(zhǎng)度如下圖所示： 輸出軸： 圖2.3輸出軸簡(jiǎn)圖 輸入軸： 圖2.4輸入軸簡(jiǎn)圖 （2） 軸上零件的周向定位 齒輪、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求查表選擇： 18的軸鍵：bhL

62、=6628 22的軸鍵：bhL=6622 24的軸鍵：bhL=8728 32的軸鍵：bhL=10822 （3） 確定軸上的圓角和倒角尺寸 查表選擇，取軸端倒角為145，軸肩處的圓角半徑裝配圖 2.6.5求軸上的載荷 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖，做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，并且根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖2.5和2.6所示。 其中軸的支反力可根據(jù)靜力平衡方程計(jì)算得出： 圖2.5輸出軸的彎扭圖

63、 圖2.6輸入軸的彎扭圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面，現(xiàn)將危險(xiǎn)截面 C處所受的支反力、彎矩、和扭矩列于表2.4。 表2.4輸入、輸出軸的彎扭和支反力 輸出軸 輸入軸 載荷 水平面 垂直面 水平面 垂直面 支反力/N 彎矩M 總彎矩/Nm 扭矩T/Nm 69.7 32.2 2.6.6按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度。軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取，則

64、： 輸出軸： 前面已選定軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，查表得： ， 因此， 故滿足強(qiáng)度校核。 輸入軸：同上， 故也滿足強(qiáng)度校核。 2.7箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 窺視孔和窺視孔蓋在減速器上部可以看到傳動(dòng)零件嚙合處要開窺視孔，以便檢查齒面接觸斑點(diǎn)和赤側(cè)間隙，了解嚙合情況。潤(rùn)滑油也由此注入機(jī)體內(nèi)。窺視孔上有蓋板，以防止污物進(jìn)入機(jī)體內(nèi)和潤(rùn)滑油飛濺出來(lái)。 （2）放油螺塞減速器底部設(shè)有放油孔，用于排出污油，注油前用螺塞賭注。 （3）油標(biāo)油標(biāo)用來(lái)檢查油面高度，以保證有正常的油量。油標(biāo)有各種結(jié)構(gòu)類型，有的已定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件。

65、 （4）通氣器減速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于摩擦發(fā)熱，使機(jī)體內(nèi)溫度升高，氣壓增大，導(dǎo)致潤(rùn)滑油從縫隙向外滲漏。所以多在機(jī)蓋頂部或窺視孔蓋上安裝通氣器，使機(jī)體內(nèi)熱漲氣自由逸出，達(dá)到集體內(nèi)外氣壓相等，提高機(jī)體有縫隙處的密封性能。 （5）啟蓋螺釘機(jī)蓋與機(jī)座結(jié)合面上常涂有水玻璃或密封膠，聯(lián)結(jié)后結(jié)合較緊，不易分開。為便于取蓋，在機(jī)蓋凸緣上常裝有一至二個(gè)啟蓋螺釘，在啟蓋時(shí)，可先擰動(dòng)此螺釘頂起機(jī)蓋。在軸承端蓋上也可以安裝啟蓋螺釘，便于拆卸端蓋。對(duì)于需作軸向調(diào)整的套環(huán)，如裝上二個(gè)啟蓋螺釘，將便于調(diào)整。 （6）定位銷 為了保證軸承座孔的安裝精度，在機(jī)蓋和機(jī)座用螺栓聯(lián)結(jié)后，鏜孔之前裝上兩個(gè)定位銷，孔位置盡量遠(yuǎn)些。如機(jī)

66、體結(jié)構(gòu)是對(duì)的，銷孔位置不應(yīng)該對(duì)稱布置。 （7）調(diào)整墊片調(diào)整墊片由多片很薄的軟金屬制成，用一調(diào)整軸承間隙。有的墊片還要起調(diào)整傳動(dòng)零件軸向位置的作用。 （8）環(huán)首螺釘、吊環(huán)和吊鉤在機(jī)蓋上裝有環(huán)首螺釘或鑄出吊環(huán)或吊鉤，用以搬運(yùn)或拆卸機(jī)蓋。 （9）密封裝置 在伸出軸與端蓋之間有間隙，必須安裝密封件，以防止漏油和污物進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。密封件多為標(biāo)準(zhǔn)件，其密封效果相差很大，應(yīng)根據(jù)具體情況選用。 箱體結(jié)構(gòu)尺寸選擇如下表2.5： 表2.5箱體結(jié)構(gòu)尺寸 名稱 符號(hào) 減速器的尺寸關(guān)系 箱座壁厚 δ 8 箱蓋壁厚 δ1 8 箱座凸緣厚度 b 12 箱蓋凸緣厚度 b 1 12 箱座底凸緣厚度 b 2 20 地腳螺釘直徑 df 20 地腳螺釘數(shù)目 n 4 軸承旁聯(lián)結(jié)螺栓直徑 d1 10 蓋與座聯(lián)接螺栓直徑 d2 6 連接螺栓d2的間距 l 150-200