CN111859720A - 一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，包括如下步骤：1)利用Pro/E建立多级减速器主要零部件参数化模型；2)依据所建立的参数化模型，导入LS‑DYNA进行虚拟样机仿真试验，模拟多级减速器在多种失效模式下的工作状态，提取出最大工作应力；3)依据最大工作应力和材料机械性能统计数据，得到各零部件在实际工况下应力和强度数据的分布类型和分布参数值；4)依据应力和强度数据的分布类型和分布参数值，利用应力‑强度干涉模型,获得多级减速器的可靠度。本发明的方法提高了多级减速器的可靠性，在改变零件参数时不需要对整个减速器重新建模，大大缩短了需要不断依靠真实样机进行试验以改进减速器可靠性水平的研制周期，降低了研制费用。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟仿真技术，具体地说是一种多级齿轮减速器的参数化建模与虚拟仿真方法。
背景技术
随着计算机仿真技术的飞速发展，使对各类复杂系统的虚拟仿真试验成为现实。该技术不必建造真实的物理样机，在虚拟环境中即可完成复杂结构的动态仿真，与常规物理试验相比，具有节省试验成本，提高试验效率，缩短研制周期等优点。但虚拟试验技术通常采用确定性的力学模型进行仿真分析，不能够考虑系统随机问题。参数化建模技术可以通过调整参数来修改和控制模型的几何参数，通过变动某些约束参数而不必运行产品的全过程来更新模型，可极大地提高设计效率，因此有必要将参数化建模技术与虚拟仿真技术相结合。
减速器作为原动件与工作机构或执行机构之间的减速传动装置，是机械传动系统中重要的组成部分，在现代机械中应用极为广泛，保证其具有高可靠性是机械设备正常运转的基础。减速器在工作过程中始终承受冲击、振动载荷等外在因素以及安装误差、制造误差、轴系变形等自身因素的影响，使其寿命具有不确定性。因此有必要建立考虑各种随机因素影响下的减速器参数化模型并对其进行虚拟仿真试验。
发明内容
本发明根据多级齿轮减速器的主要故障来源于齿轮的基节偏差和轴承游隙，对减速器齿轮与轴承进行参数化建模，提出一种多级减速器可靠性虚拟试验方法，用于提高多级减速器的可靠性水平。
实现本发明目的所采用的具体技术方案如下：
一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，包括如下步骤：
1)利用Pro/E建立多级减速器各零部件的参数化模型；
2)依据所建立的参数化模型，导入LS-DYNA进行虚拟样机仿真试验，模拟多级减速器在多种失效模式下的工作状态，提取出最大工作应力；
3)依据最大工作应力和材料机械性能统计数据，得到各零部件在实际工况下应力和强度数据的分布类型和分布参数值；
4)依据应力和强度数据的分布类型和分布参数值，利用应力-强度干涉模型,获得多级减速器的可靠度。
所述多级减速器包括高速齿轮轴、高速轴系小齿轮、1级齿轮轴、1轴系大齿轮、1轴系小齿轮、2级齿轮轴、2轴系大齿轮、2轴系小齿轮、3级齿轮轴、 3轴系大齿轮、高速轴系圆锥滚子轴承、高速轴系双列圆柱滚子轴承、1轴系圆锥滚子轴承、1轴系双列圆柱滚子轴承、2轴系圆锥滚子轴承、2轴系双列圆柱滚子轴承、3轴系圆锥滚子轴承、3轴系滚针轴承。
建立多级减速器各零部件的参数化模型包括：
零件参数化建模：对同类零部件，创建单个零部件的函数曲线、拉伸轮廓、阵列化完成轮廓创建；修改零部件参数完成该类所有零部件参数化建模；
组建参数化建模：新建组件模板区域用于放置装配体，导入一个零件作为基准零件，添加其余零件至装配体中，添加位置关系约束，从而完成装配体的参数化建模。
所述多种失效模式为考虑安装误差、制造误差、轴系变形、外载荷影响下的齿轮及轴系参数化建模，参数化建模可实现零件特征参数改变时模型装配关系的不变性，可通过随机参数的输入来真实反映减速器的不同工作状态，而不必重新建立不同状态下的整体减速器模型，大大缩短建模时间。
将减速器各零部件的参数化模型导入LS-DYNA显示动力学仿真软件，通过对减速器进行虚拟仿真，得到减速器各零部件的应力云图与动态曲线结果，提取当前失效模式下各零部件的失效区域的最大工作应力。
所述各零部件在实际工况下应力数据的分布类型和分布参数值为：
(1)记录各大、小齿轮的试验最大接触应力，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值；
(2)对于各大、小齿轮上的最大弯曲应力，记录其值，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值；
(3)对于轴承，其类型均为向心轴承，记录所计算的轴承最大径向动负荷，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值。
所述对其分布类型进行检验均为采用K-S检验法或皮尔逊χ2对其分布类型进行检验为正态分布，采用响应面法与Monte Carlo方法确定分布参数。
所述各零部件在实际工况下强度数据的分布类型和分布参数值为：对材料的使用数据进行统计，得到金属材料的分布类型及分布参数值。
所述分布参数为均值和标准差。
所述的应力-强度干涉模型求可靠度的公式为：
即零部件的强度H均大于应力S的可靠度；
式中，H代表各零部件的强度数据的参数值；S代表各零部件的应力数据的参数估计值；P代表时间发生的概率。
本发明的有益效果为：
本发明的方法提高了多级减速器的可靠性，在改变零件参数时不需要对整个减速器重新建模，大大缩短了需要不断依靠真实样机进行试验以改进减速器可靠性水平的研制周期，降低了研制费用。
附图说明
图1为本发明实施的多级减速器可靠性虚拟试验方法的实施步骤示意图；
图2a为齿轮渐开线的绘制；
图2b为齿轮轮廓的绘制；
图3a为一级主动齿轮接触应力提取结果；
图3b为一级主动齿轮齿根弯曲应力提取结果；
图4为1轴最大应力提取结果；
图5为概率密度函数联合积分求可靠度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施的多级减速器可靠性虚拟试验方法如图1所示，具体包括如下步骤：
1)利用Pro/E建立多级减速器主要零部件参数化模型；
2)依据所建立的参数化模型，导入LS-DYNA进行虚拟样机仿真试验，模拟多级减速器在多种失效模式下的工作状态，提取出最大工作应力；
3)依据最大工作应力和材料机械性能统计数据，得到各零部件在实际工况下应力和强度数据的分布类型和分布参数值；
4)依据应力和强度数据的分布类型和分布参数值，利用应力-强度干涉模型,获得多级减速器的可靠度。具体地，本发明实施例的具体设计步骤如下：
1)利用Pro/E建立多级减速器主要零部件参数化模型，具体为：
(1)计算机环境配置
本发明的多级减速器参数化建模为二次开发程序，在其他计算机上使用之前需要对计算机进行环境配置，具体为：
用户需要在进行VC++.NET开发环境设置前安装Pro/Toolkit的API工具包，如果用户在安装Pro/ENGINEER软件是为预装Pro/Toolkit的API工具包，可以点击Pro/ENGINEER安装目录X:\proeWildfire 4.0\bin下ptcsetup.bat文件进行安装。在VC.NET建立的MFC DLL框架下，设置包含文件和库文件。选择“工具”|“选项”命令，弹出“选项”对话框，在该对话框选择“项目和解决方案”节点下的“VC++目录”，在“显示一下内容的目录”下拉列表中选择“包含文件”，添加包含文件：
X:\Program Files\proeWildfire 4.0\protookit\include
X:\Program Files\proeWildfire 4.0\prodevelop\include
在“显示一下内容的目录”下拉列表中选择“库文件”，添加包含文件：
X:\proeWildfire 4.0\protookit\i486_nt\obj
X:\proeWildfire 4.0\prodevelop\i486_nt\obj
在完成包含文件以及库文件的设置后，对项目属性进行设置。选择“项目” |“属性”，在弹出的属性页对话框中，选择“配置属性”节点下的“链接器”| “输入”选项，在“附加依赖项”中添加wsock32.lib、mpr.lib、protk_dllmd.lib、 psapi.lib，在“忽略特定库”中添加libcmtd，
在进行属性页配置时，在“配置”下拉列表中，若选择“Debug”，则最后的二次开发程序无法在其它计算机上加载运行，需要选择“Release”才可以解决上述问题。至此，完成开发环境的配置。
(2)零件参数化建模
首先进行计算机环境配置，完成开发环境的配置后，在Pro/E中新建零件，添加参数，之后在窗口中输入零部件各参数的计算关系，在创建某一尺寸时，需要对参数进行关联驱动。如图2a所示为齿轮渐开线的绘制，绘制带有函数的曲线，合理真实建立零部件，使后期的虚拟可靠性试验结果更加准确，如图2b 所示，镜像线逐步完成齿轮单个齿形轮廓的创建，拉伸完成单齿的建立，阵列特征完成的单个齿轮的参数化建模。建模完成后，需要创建程序来进行对零部件主参数的快速输入和修改，通过修改零部件主参数可以快速生成各种同一类型零部件，修改参数驱动新模型，保存后即可生成新的模型。
(3)组件参数化建模
如图4所示，组件的参数化过程是基于零件的参数化建立的，组件参数化过程需要完成的主要工作就是参数传递。具体为新建组件模板后再插入菜单进入元件装配命令，选择一个零件作为基准零件，其余的零件也用同样的方法加入装配体中，按照需要的位置关系添加约束，修改其中一个零件的参数其装配关系不会发生改变，至此完成装配体的参数化建模。
2)依据所建立的参数化模型，导入LS-DYNA进行虚拟样机仿真试验，具体为：
(1)接触界面定义
通过动摩擦系数Fs、静摩擦系数Fd和指数衰减系数Dc以及相对速度Vr决定接触摩擦系数，即：
最大摩擦力限定为：Flim＝Vc·Acont；
其中，Acont为接触部分的接触面面积，Vc为粘性摩擦系数，其表达式为
σ0为接触材料的屈服应力。
振荡最可能发生在显式动力学仿真分析中，这些振荡(如应力波)是不真实的。为了解决这个问题，通过设置阻尼系数来消除这种不切实际的振荡。
阻尼系数定义为：
其中，Vd为粘性阻尼系数
(2)接触刚度罚因子的选择
接触刚度为：
其中，fs为罚因子(默认为0.1)，Area为接触面积，K为接触单元的体积模量，M为实体单元。
(3)网格划分
根据有限元理论，六面体网格能够得到很好的计算精度，因此本发明采用solid164六面体对轴、齿轮、轴承、衬套进行网格划分。为了使计算结果准确并提高计算速度，本发明首先选择一个网格大小试探进行计算，随后在此基础上将网格大小缩小一倍，再次仿真试探，直到两次计算结果变化小时，确定网格数量规模。网格划分时，通过控制段数、网格的大小来控制轮齿、轴承的内外圈、轴承滚子及齿轮轴齿轮进行精确控制，并对箱体、齿轮和衬套进行适当调整为粗网格。确保网格的重要部分是密集的，不重要的位置是稀疏的，提高了准确性和效率。最终多级减速器系统的有限元网格模型如图5所示。
(4)PART、接触对的创建与加载
下表是有限元模型建立后各零件所对应的PART号，一共有279个PART。
表1 PART表
对齿轮减速器建立712对接触对，材料的摩擦系数参考机械设计手册，静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1。输入输出端轴外圈定义为刚体，主轴施加转速，被动轴施加力矩，转速为5000r/min，转矩为100000N·mm。
(5)数据提取
为计算结构产品各部件疲劳可靠度，需要提取各部件在仿真时间内的最大应力值，以提取等效应力为例，提取流程如下：
读取等效应力结果文件，该文件记录全部单元在每个时刻的应力值；读取零部件单元号文件，得到单元初始号码及单元数量。确定零部件全部单元中的位置；得到零部件每个时刻的应力值，比较后得到最大值；循环执行上述步骤，将全部文件读取完毕后，得到K个最大应力值，保存在动态数组中。图3a为一级主动齿轮接触应力提取结果；图3b为一级主动齿轮齿根弯曲应力提取结果。
3-1)依据最大工作应力，得到各零部件在实际工况下应力数据的分布类型和分布参数估计值，具体为：由可靠性虚拟试验系统得到在含有安装误差、制造误差、轴系变形、外载荷等随机因素影响下的应力数据，来真实反映减速器动态工作过程中的应力状态。通过减速器系统的动态虚拟仿真，基于故障模式与故障分析，提取当前故障模式下各零部件失效区域(例如，指齿轮啮合的接触面)的最大工作应力，对可能出现的重要故障失效模式下的应力分布提取所需要的数据。确定记录与处理如下：
(1)记录各大、小齿轮的试验最大接触应力，对其分布类型进行检验，确定分布类型。
(2)对于各大、小齿轮上的最大弯曲应力值，对其分布类型进行检验，从而确定分布类型。
(3)对于轴承，其类型均为向心轴承，故记录所计算的轴承最大径向动负荷，对其分布类型进行检验，确定分布类型。
根据各零部件的试验数据，用K-S检验法或皮尔逊χ2对其分布类型进行检验，确定应力分布类型；采用响应面法与蒙特·卡罗方法Monte Carlo确定分布参数。从而估计均值和标准差。
3-2)获取各零部件在实际工况下强度数据的分布类型和分布参数估计值，包括：对常用材料的使用数据进行统计，获取材料性能统计表，得到常用金属材料的分布类型及分布参数值(为表2中的均值和标准差实际值)。
表2.材料性能统计表
4)依据应力和强度数据的分布类型和分布参数值，利用应力-强度干涉模型,获得多级减速器的可靠度，具体为：应力-强度干涉模型作为疲劳可靠性计算中最基本也是最为经典分析方法，其基本思想是结构或构件所承受的应力应该小于其强度才能够保证结构的安全使用。如图5所示，应力-强度干涉模型认为机械零件的可靠度主要取决于其所承受的应力和强度分布曲线的干涉程度，应力-强度干涉模型求可靠度的公式为：
即零件的强度H均大于应力S的可靠度。
式中H代表零部件的强度；S代表零部件的应力；P代表时间发生的概率；
dR是应力S在dS小区间内不会引起故障或失效的概率，其表达式为：
f(S0)dS为应力S0处于dS区间内的概率，其表达式为：
采用本发明多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，可得多级齿轮减速器可靠度计算结果，得到疲劳可靠性(N1＝1×106r)分析结果如下表所示。
表3多级齿轮减速器可靠度计算结果
Claims (10)
1.一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用Pro/E建立多级减速器各零部件的参数化模型；
2)依据所建立的参数化模型，导入LS-DYNA进行虚拟样机仿真试验，模拟多级减速器在多种失效模式下的工作状态，提取出最大工作应力；
3)依据最大工作应力和材料机械性能统计数据，得到各零部件在实际工况下应力和强度数据的分布类型和分布参数值；
4)依据应力和强度数据的分布类型和分布参数值，利用应力-强度干涉模型,获得多级减速器的可靠度。
2.根据权利要求1所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述多级减速器包括高速齿轮轴、高速轴系小齿轮、1级齿轮轴、1轴系大齿轮、1轴系小齿轮、2级齿轮轴、2轴系大齿轮、2轴系小齿轮、3级齿轮轴、3轴系大齿轮、高速轴系圆锥滚子轴承、高速轴系双列圆柱滚子轴承、1轴系圆锥滚子轴承、1轴系双列圆柱滚子轴承、2轴系圆锥滚子轴承、2轴系双列圆柱滚子轴承、3轴系圆锥滚子轴承、3轴系滚针轴承。
3.根据权利要求1所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，建立多级减速器各零部件的参数化模型包括：
零件参数化建模：对同类零部件，创建单个零部件的函数曲线、拉伸轮廓、阵列化完成轮廓创建；修改零部件参数完成该类所有零部件参数化建模；
组建参数化建模：新建组件模板区域用于放置装配体，导入一个零件作为基准零件，添加其余零件至装配体中，添加位置关系约束，从而完成装配体的参数化建模。
4.根据权利要求1或2所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述多种失效模式为考虑安装误差、制造误差、轴系变形、外载荷影响下的齿轮及轴系参数化建模。
5.根据权利要求4所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，将减速器各零部件的参数化模型导入LS-DYNA显示动力学仿真软件，通过对减速器进行虚拟仿真，得到减速器各零部件的应力云图与动态曲线结果，提取当前失效模式下各零部件的失效区域的最大工作应力。
6.根据权利要求4所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述各零部件在实际工况下应力数据的分布类型和分布参数值为：
(1)记录各大、小齿轮的试验最大接触应力，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值；
(2)对于各大、小齿轮上的最大弯曲应力，记录其值，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值；
(3)对于轴承，其类型均为向心轴承，记录所计算的轴承最大径向动负荷，对其分布类型进行检验，确定分布类型，从而确定分布参数及分布参数估计值。
7.根据权利要求6所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述对其分布类型进行检验均为采用K-S检验法或皮尔逊χ2对其分布类型进行检验为正态分布，采用响应面法与Monte Carlo方法确定分布参数。
8.根据权利要求4所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述各零部件在实际工况下强度数据的分布类型和分布参数值为：对材料的使用数据进行统计，得到金属材料的分布类型及分布参数值。
9.根据权利要求7或8所述的一种多级齿轮减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述分布参数为均值和标准差。
10.根据权利要求1所述的一种多级减速器可靠性虚拟试验方法，其特征在于，所述的应力-强度干涉模型求可靠度的公式为：
即零部件的强度H均大于应力S的可靠度；
式中，H代表各零部件的强度数据的参数值；S代表各零部件的应力数据的参数估计值；P代表时间发生的概率。
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