基于ANSYS和VB的双圆弧齿轮应力的参数化分析软件设计

陈胡兴， 孙 鹏

（1.宜兴技师学院机电系，江苏 宜兴 214206；2.无锡职业技术学院机械技术学院，江苏 无锡 214121）

基于ANSYS和VB的双圆弧齿轮应力的参数化分析软件设计

陈胡兴1， 孙 鹏2

（1.宜兴技师学院机电系，江苏 宜兴 214206；2.无锡职业技术学院机械技术学院，江苏 无锡 214121）

基于结构参数化设计思想，在有限元软件ANSYS的基础上嵌入APDL语言，采用VB语言开发出前后置处理软件。该软件采用人机对话的方式，操作十分简便，只需输入双圆弧齿轮设计的基本参数，就可以进行计算分析，并且自动获得计算结果。该软件为设计人员提供了双圆弧齿轮分析应力的工具，也为工程设计分析提供了一种新的思路。

双圆弧齿轮；参数化；ANSYS；VB

双圆弧齿轮由于其自身的几何、运动特性，具有良好的运动性能和较高的承载能力，目前主要应用在冶金轧钢、矿山运输、建材水泥、交通航运、轻工榨糖、发电设备、采油炼油、化工化纤等行业。为了提高双圆弧齿轮的承载能力和推广它的应用，许多学者应用有限元法研究它的变形状况和齿根应力分布。由此可见，双圆弧齿轮传动的使用能够带来很大的利益，因此开展双圆弧齿轮的研究是非常值得的。

为了使通用的大型有限元计算软件具备强大的功能，开发人员一般将其做得比较复杂。因此要掌握这样的一种软件，往往需要花很多时间学习它的操作方法和使用技巧，然而对于普通的双圆弧齿轮设计人员，没有必要花时间完全掌握这些软件。本文基于参数化思想，使用ANSYS软件中的参数化设计语言（APDL）和可视化编程语言（VB），在确定双圆弧齿轮结构参数化的基础上，开发了参数化建模及后处理软件，具有一定的理论意义和工程应用价值。

1 双圆弧齿轮传动的应力分析

在双圆弧齿轮的设计中，应力设计是其中的重要内容之一。齿面接触应力和齿轮弯曲应力是应力设计中的两类基本问题。一般齿轮的弯曲应力计算是采用著名的路易斯（Lewis）方法，把轮齿看作定截面的悬臂梁处理。然而用Lewis的简单材料力学方法处理，与实际出入较大。有限单元法的出现，能比较好地真实地反映轮齿实际应力，如假设条件合理，能比较真实地反映轮齿实际应力。对于双圆弧齿轮，其轮齿是一个形状复杂的螺旋体，应用有限元方法计算，能获得较好的结果。轮齿齿面接触强度不够，齿面将产生点蚀、剥落、塑性变形等损伤。为了防止齿面产生这些损伤，必须进行齿面的接触强度计算，限制齿面的接触应力不超过许用值。由于双圆弧齿轮是点啮合制，到目前为止，确定齿面接触应力时大多是利用Hertz公式，作近似计算，计算结果有很大差别。有限元法是分析接触问题的一种有效手段。图1是应用有限元分析软件按ANSYS进行分析得出的双圆弧齿轮径向应力云图。

图1 双圆弧齿轮径向应力云图Fig.1 The double-arc helical gears radial stressing cloud

2 参数化分析和参数化分析软件设计方法

参数化技术是当前CAD和CAE技术重要的研究领域之一。基于特征的参数化建模可以精确、高效地建立各种齿轮轮齿的几何模型。特征是指面向应用的并确定几何拓扑关系的一组几何元素所构成的参数化形状模型。参数化建模基本原理如图2所示。

双圆弧齿轮在传动啮合过程中齿形参数的变化对齿轮应力有较大的影响，因此在设计中要重点考虑齿形参数对齿轮应力的变化。软件采用友好的人机交互界面，后台调用有限元计算程序，计算双圆弧齿轮的弯曲和接触应力分析，最后通过人机交互的界面显示结果，并可以对计算结果进行保存。软件是在VB6.0环境下开发的，设计人员通过对话框可以选择不同类型的齿轮和不同的计算要求（本文完成双圆弧齿轮设计），如弯曲应力计算或接触应力计算。在对话框中还可以选择不同的参数确定需要分析的双圆弧齿轮的尺寸，然后自动生成用于LOG文件，调入ANSYS中控制计算流程，最后自动在软件界面中显示计算结果。

图2 几何模型的参数化建模原理图Fig.2 Geometric model of the parametric modeling diagram

VB中调用ANSYS采用批处理方式，其具体执行过程如下：首先要建立该参数化模型的ANSYS批处理文档；利用VB的交互界面得到用户指定的参数，并生成该参数文件，保存到相应的工作目录中；在注册表中对ANSYS的环境进行设置；设置好ANSYS的环境变量后，就可以启动ANSYS了，为了得知ANSYS何时运行结束，可以用以下提供的函数执行ANSYS，该函数会在ANSYS执行完毕后才返回；执行后，ANSYS会弹出一个确认的对话框，必须按下RUN才可以进行下一步分析工作；ANSYS运行结束后，该函数将返回，此时可以从刚才指定的工作目录中找到ANSYS的分析结果。

3 实例介绍

首先在设计参数界面中选择“按设计参数输入参数”，先选择设计参数下的最大输入功率、转速及齿数比。然后齿形参数中要选择的是法向模数、小齿轮齿数、大齿轮齿数、螺旋角、及齿宽系数。再选择一些辅助参数有齿轮精度、小齿轮材料、大齿轮材料、润滑油选取及齿轮使用年限。最后按“齿数及模数计算”对齿形参数进行确定。如图3所示。

当完成齿形参数选择后点击界面中的“下一步”，就进入齿廓基本参数对话框，在此界面中显示的是双圆弧齿轮的基本齿廓及其基本参数，在该对话框中可以选择“上一步”回到上一个对话框重新输入基本齿轮参数。当确定后可以选择“下一步”到应力校核界面。在应力校核界面里，当按下弯曲强度计算右边的按键“ANSYS计算”框时软件调用ANSYS运算，（要求在软件运行的电脑里要求安装的是ANSYS6.1版，而当没有安装ANSYS6.1时软件会提示出错信息，计算结束）然后把计算结果显示在界面上。如图4所示。

图4 双圆弧齿轮计算结果调用Fig.4 The results of the double-arc helical gears calling

4 总 结

双圆弧齿轮的齿形参数直接影响着双圆弧齿轮的承载能力。如果按传统方法解决上述问题，需要做大量的试验。这种方法需花费大量的资金，时间周期也会很长，重复性差。本文在大型有限元软件ANSYS的基础上，基于结构参数化设计思想，嵌入APDL语言，采用VB语言开发出前后置处理软件。软件采用友好的人机交互界面，后台调用有限元计算程序，计算双圆弧齿轮的弯曲和接触应力分析，最后通过人机交互的界面显示结果，并可以对计算结果进行保存。设计人员根据计算结果就可以了解不同尺寸下的双圆弧齿轮的强度变化，方便设计选型。

［1］ 邵家辉.圆弧齿轮［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［2］ 刘炳文.精通Visual Basic 6.0（中文版）［M］.北京：电子工业出版社，1999.

［3］ 朱景梓，邵家辉，何晓庚.圆弧齿轮应力分析的理论基础［J］.冶金设备，1982（3）：1-10.

［4］ 刘涛.精通ANSYS［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［5］ 李润方.分阶式双圆弧齿轮有限元应力计算［J］.机械科学与技术，1994（3）：65-66.

Software Design of the Parametric Stress Analysis in Double-Arc Helical Gears Based on ANSYS and VB

CHEN Huxing1， SUN Peng2
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，YiXing Technician College，Yixing 214206，China；2.School of Mechanical Engineering，Wuxi Institute Technology，Wuxi 214121，China）

The Software is structure-based parametric design，in the finite element software ANSYS APDL language，based on the embedded，using VB language developed before and after-processing software.The software uses man-machine dialogue，the operation is very simple，just enter the basic double-arc Helical gears design parameters can be calculated and analyzed，and automatically calculate the results.The software is designed to provide a double-arc helical gears stress analysis tool for engineering design analysis provides a new way of thinking.

Double-Arc helical gears；parametric；ANSYS；VB

TH 132.416

A

1671-7880（2012）01-0060-02

2011-11-10

陈胡兴（1975— ），男，江苏宜兴人，讲师，硕士研究生。