偏航軸承的UG參數化設計及ANSYS有限元分析.doc

精品論文偏航軸承的 ug 參數化設計及 ansys 有限元分析周飛，劉衍平 華北電力大學動力系機械電子研究所，北京 (102206) e-mail: 摘要：本文詳細闡述了在 ug 的建模模塊中,利用表達式功能實現(xiàn)外圈帶齒偏航軸承參數化設計和精確造型的過程，并準確建立了偏航軸承三維模型。然后將其導入 ansys 中，并 利用一種新型方法對外圈輪齒在嚙合過程具體的載荷施加位置進行了準確定位。最終通過有限元分析得出輪齒的應力、應變狀況，該結果對偏航軸承外圈的設計、改進提供了一定的參考價值。 關鍵詞：ug；偏航軸承；三維建模；加載方案；有限元應力分析 中圖分類號：tk223文獻標識碼： aparametric design and finite element analysis of yawingbearingzhou fei, liu yanpingmechanical and electrical research station, north china electric power university, beijing（102206）abstractin the modeling module of ug, the method of 3-d modeling and parametric design is described. thisarticle details the process for using the function of expression of ug to realize the parameterized designing and precise modeling for a yawing bearing, and establishes a 3-d model which is inputted ansys. in this software, it uses a new method to make sure the position that the pressure is forced is exact and elicit the stress situation. the research results has reference value to the optimization design and improving of the yawing bearing.keywords: ug; yawing bearing; 3-d modeling; load scheme; finite element stress analysis- 7 -0. 引言隨著國家節(jié)能減排的號召，可再生能源 的充分利用顯得越來越重要。而風能作為清 潔能源更是在近些年得到了廣泛的應用，我 國擁有豐富的風能資源，這也就給我們大力 發(fā)展風力發(fā)電提供了非常有利的先天條件。 根據全國 900 多個氣象站的觀測資料進行估 計，中國陸地風能資源總儲量約 32.26 億 kw，其中可開發(fā)的風能儲量為 2.53 億 kw， 而海上的風能儲量有 7.5 億 kw，總計為 10 億 kw，這是 10m 高度計算的，如果按 50m 高度計算，則還要增加一倍，風能利用有很 大潛力。然而由于風力發(fā)電在我國起步較晚，風 力發(fā)電設備及其零部件的生產遇到了種種 技術難題，導致遲遲不能實現(xiàn)國產化，尤其是各種軸承。目前,國內開發(fā)生產的風機軸承主要是變速器軸承和電機軸承,但性能和壽 命還達不到要求。因此,90%左右的變速器軸 承和電機軸承仍然依賴進口。偏航軸承總成 和風葉主軸軸承總成在國內除洛軸、瓦軸等 大型國有企業(yè)有少量試制外,很少有廠家生 產,基本屬國內空白。國內目前的技術水平與 國外先進水平相比存在較大差距。本文主要利用大型三維建模分析軟件 ug 對 1.5mw 級風力發(fā)電機的偏航軸承總 成進行了三維建模，并在此基礎上應用一種 新型方法對外圈輪齒進行了更加準確的加 載和有限元分析。1. 參數化建模過程分析ug 是美國 eds 公司 推出的 集cad/cam/cae 于一體的軟件系統(tǒng)。它提供了強大的實體建模功能，提供了高效能的曲面建構能力，能夠完成復雜的實體造型設 計。其中包括了建模模塊、裝配模塊和制圖 模塊等，可以方便的建立各種復雜結構的三 維參數化實體裝配模型和部件詳細模型，并 自動生成用于加工的平面工程圖紙。本文以德國某公司 1.5mw 級風力發(fā)電 機所用偏航軸承為例，設計參數參照其進行 分析。該機組采用外圈帶齒、四點接觸球滾 子軸承，所以，該模型除了建立軸承內外圈 之外，還需要在外圈上進行參數化建立齒輪 模型。1.1 建立軸承外圈（1）建立軸承外圈。首先進入草圖模式， 在 xoy 平面內，建立外圈輪廓圖，然后繞 z 軸回轉即得外圈實體（不帶齒）如圖 1 所示 1 。圖 1 外圈實體（2）利用參數化建模功能，在外圈上建 立齒輪模型。1）在“表達式”對話框（如圖 2 所示） 中依次輸入各項參數名稱及其值3 。需要輸入的名稱及公式依次為：齒數 z、模數 m、壓力角 a、齒寬 b、分度圓半徑 r、yt= rb *sin(s)- rb *rad(s)*cos(s)zt=0。圖 2 “表達式”對話框2）生成 00 - 900 范圍內漸開線，如圖 3所示。圖 3 漸開線3）創(chuàng)建基圓、分度圓、齒根圓、齒頂 圓，并生成齒槽輪闊。因為生成齒廓后需要 拉伸成實體與外圈實體進行布爾運算，所以 該齒廓需要做成一個封閉的曲線。由此，需 要創(chuàng)建一個圓心為原點、直徑稍大于齒頂圓 直徑的圓，使得其與兩條漸開線能相交，通過修剪后如圖 4 所示5 。齒頂圓半徑 ra、基圓半徑 rb 、齒根圓半徑rf 、漸開線發(fā)生角 a0、漸開線終止角 ae、 齒根圓與 漸開線 之 間的過渡 圓角 r=pi()*m/8、ug 系統(tǒng)參數 t、漸開線參數方 程自變量 s=(1-t)*a0+t*ae。漸開線在 x、y、z 方向的參數方程分 別為：xt= rb *cos(s)+ rb *rad(s)*sin(s)圖 4 齒槽平面輪廓4）創(chuàng)建外圈的基本實體及輪齒的三維實體模型,本文所創(chuàng)建的具體參數的外圈模 型如圖 5 所示。創(chuàng)建完成后,該齒輪模型就形 成了參數化驅動模型,以后只要給出不同的 模數、壓力角, 就可以自動生成三維齒輪實 體模型, 從而減少設計人員的重復性勞動, 提高設計效率。圖 5 外圈模型1.2 將建立的模型導入 ansys由于該軸承為軸對稱圖形，而且外圈上 每個輪齒都是一樣的，為了節(jié)省計算時間， 方便在 ansys 中的分析，只將該軸承外圈 的某一部分導入到 ansys 中進行分析。將三維模型保存為 parasolid 格式， 導入到 ansys，并在 ansys 中顯示出實 體模型（如圖 6）。圖 6 ansys 中的外圈模型2. 有限元分析2.1 設置單元屬性在前處理過程中首先應該設置單元 屬性。單元屬性是指在劃分網格以前必須 指定所分析對象的特征，這些特征包括： 單元類型、實常數和材料屬性。ansys 提供了近 200 種適用于不同 分析類型、不同材料和不同幾何模型的單元，單元選擇的正確與否，將決定其最后的分析結果。根據以往經驗，由于該分析 重點針對輪齒部分，模型相對復雜，而且 在輪齒與齒根圓過渡部分的網格需要更 加細致的劃分，所以采用四面體網格，采 用 structured solid tet 10 node 92 單元。對于一個結構分析，材料的特性是必須知道的。對于外齒的靜力學分析，輸入 彈性模量 e=2.1e11pa，泊松比 =0.3。2.2 幾何模型的有限元網格劃分有 限元網格 劃分是建 立有 限元模 型 非常重要的一個環(huán)節(jié)，它將幾何模型轉化 為由節(jié)點和單元構成的有限元模型。為了 保證計算的精度，輪齒與齒根圓過渡部分 的網格需要進行細化處理。由此得到最終 的偏航軸承外圈輪齒有限元模型如圖 7 所 示 7 。圖 7 網格劃分2.3 施加載荷在 ansys 中進行分析時，加載方案 的確定施很關鍵的一部分。針對齒輪，加 載方式可選擇線載荷對線段加載和面載 荷（壓強）對面進行加載。然而，由于齒 輪在嚙合過程中其接觸區(qū)域實際上是一個小面，且在 ansys 中線載荷對齒面的 作用方向亦很難精確定位，所以本文選用 面載荷對面進行加載。選擇面載荷加載方式的關鍵是確定 加載位置和接觸區(qū)域面積。由于該模型是 在 ug 中建立后導入 ansys 中的，通過ansys 中的坐標來確定具體加載位置是不可行的，但 ansys 中有對曲線按比例 劃分的命令，所以在此確定加載位置所采 用的方法是：首先計算出齒輪齒廓漸開線 的總曲線長度 l，然后設定加載位置距離x = dxdy = dyd= rb cos,= rb sin 漸開線起始位置的曲線長度 lx ，通過比例值 = l x 來確定。齒輪嚙合過程中接觸（3）l = 122r d = r1 0l區(qū)域可看作一個長度為齒寬 b，寬度為輪 齒接觸寬度 t 的微小矩形，所以其面積可所以（4） 0 bb2求。本文中外圈輪齒所承受的最大水平旋轉力矩為 m =88knm，可求得輪齒所受下面確定 0 和 1 。對式（1）中兩式平方相加化簡得：bx 2 + y 2 = r 2 (1 + 2 )總載荷為 f=m x =58.62n。壓力角 a= 20 0 ,ra（5）（令 2 = x 2 + y 2的幾何意義為坐標原輪齒齒面所受法向壓力為：fn = f cos a = 55.08kn 。由于風機運行環(huán)境比較惡劣，而且在運行過程中，偏航軸承要受力較為復 雜，所以需要考慮軸承外圈輪齒受載的各 種因素來確定它的計算載荷。其計算公式點到漸開線上任一點的距離，即為極徑）， 則上式可變換為： 2r2 = 1b（6）為：fbnc = k a kv k k fn =107.97kn令 = rf= 1462.5mm ， 0 =0.33；2.3.1 確定漸開線長度齒輪輪廓漸開線的長度是基圓與齒頂圓所截得漸開線的長。漸開線在直角坐 標系中的參數方程為：x = rb cos + rb sin 令 = ra = 1501.2mm ， 1 =0.41；將 0 和 1 的值代入式（4）可得齒根圓與齒頂圓所截得漸開線的長度為：l = 41.35mm 。2.3.2 確定接觸區(qū)域面積和面載荷大小齒輪在嚙合過程中接觸區(qū)域是一個 y = rb sin rb cos其中 rb 為基圓半徑， 為參數。由曲線長度的積分公式：2（1）微小矩形面，其面積為：s = bt其中： b 為輪齒寬度，b=120mm；（7）2 1l = 0x + y dt 為兩齒輪嚙合時的接觸寬度。 根據機械設計手冊：（2）n其中， l 為漸開線長度， 0 為積分起始 角， 1 為積分終角；t = 1.128 式中：pr1 r2r1 + r21 v 2(1e11 v 2+2 )e2（8）r 1 、 r2 分別為相互嚙合的兩齒輪的分度圓半徑；pn 為輪齒單位接觸長度上的載荷； 1， 2 為兩齒輪材料的泊松系數；e1 ， e2 為兩齒輪材料的彈性模量。根據材料特性，取 1 = 2 = 0.3 ，而且e1 = e2 = e = 210gpa 。輪齒單位接觸長度上的載荷可通過齒輪齒面所受法向壓力和齒寬確定：圖 8 應力云圖p = fn nb= 899.73n / mm將 pn 、r 、 r 、 v 和 e 的值代入式（8），可得：12t=1.07mm由此計算出，接觸面積：s = b t =128.75,所以面載荷的大小為：fn =s107.97kn128.75mm 2= 838.58mpa圖 9 應變云圖2.3.3 確定加載位置首先根據漸開線總長和兩齒輪嚙合 時的接觸寬度將漸開線按長度進行平均分段，設漸開線共被分成 x t 段，則從圖中可以看出，軸承外圈輪齒所受最大應 力為779.765mpa，小于其許用應力值915.254 mpa。最大變形為 0.84 10-10 m 。x = l = 41.35 = 38.6 ，取整 x =39。所該分析結果很好的解釋了齒輪傳動中齒體tt1.07t失效形式中的過載折斷現(xiàn)象。為防止該現(xiàn)象以，當齒輪嚙合時加載區(qū)域（微小矩形）x發(fā)生，需要改變輪齒的模數或增加過載安全裝置等措施?？捎杀壤?9確定。3. 結論2.4 求解及后處理利用 ansys 豐富的數圖表后處理功 能，得到它的應力云圖（如圖 8 所示）、 變形云圖（如圖 9 所示）。通過本文從參數化建模到有限元分析 的研究，得出以下結論：（1）參數化建模的功能非常方便，利 用參數可以精確控制模型的輪廓。而且，任 何參數發(fā)生變化時，只需要在“表達式”對話 框中進行修改即可，不必再重新進行公式的 編輯等繁雜操作。（2）在 ug 中進行布爾運算的時候，必須保證曲線（面）的封閉性，否則將會出現(xiàn)“目標體在工具體外”的提示。（3）在 ansys 分析過程中，載荷施 加的準確性極大的影響最終的分析結果。本 文利用漸開線長度和某時刻接觸寬度的比 值確定了加載的具體位置。利用 ansys 中 以線劃分面的功能實現(xiàn)了載荷的準確定位， 使得分析結果與實際工作狀況更加貼近。參考文獻1 杜立彬，石勇，郭旭偉.精通 ug nx 4.0m.北 京：電子工業(yè)出版社，2006.2 肖愛民，潘海彬.三維機械設計實例教程m.北京：化學工業(yè)出版社，2007.3 白劍鋒，賀靠團.基于 ug 的漸開線圓柱齒輪參 數化設計j.現(xiàn)代制造工程，2006（2）：118121.4 呂寧，洪雪，張冶.ug nx3.0 入門與