CN113268831B - 一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法 - Google Patents

一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体公开了一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法，对三维软件中建立的模型进行简化，采用六面体网格单元对装配体模型进行有限元网格划分；将inp格式网格模型导入到ABAQUS中，给部件赋予材料属性；设置分析步与分析历程输出项；在网格装配体模型上定义相互接触作用，并施加载荷和边界约束条件；而后对计算并显示的数据进行分析，并从分析结果中提取出谐波齿轮某个分析步下某一增量步的单元积分点的应力、应变等数据；有利于表现谐波减速器各部件之间的相互关系，还能够真实的模拟谐波减速器的受力情况，提高了谐波减速器有限元强度分析的准确性，并且为谐波齿轮关键零部件的强度分析提供理论依据，并且有效避免实验方式的成本高、耗时长等缺点。

Description

一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法
技术领域
本发明涉及谐波齿轮强度分析和仿真技术领域，具体公开了一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法。
背景技术
谐波齿轮传动具有结构紧凑、减速比大、传动精度高等优点，广泛应用于航空航天、卫星通信和工业机器人等领域。随着智能机器人用谐波减速器生产需求提高，核心关键部件技术的缺乏严重制约着产业的持续发展，对现代制造业转型升级十分不利。目前存在的问题是强度有限元分析时边界条件施加方式不清晰、分析步骤不规范，包括柔轮、刚轮以及波发生器约束类型，扭矩、弯矩施加位置，因而造成强度分析结果不准确，分析结果与实际的应力分布不相符。因此本专利提出一种基于有限元分析的谐波齿轮传动应力的分析方法，为谐波齿轮关键零部件的强度分析提供理论依据，并且有效避免实验方式的成本高、耗时长等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有谐波齿轮传动应力的分析方法，存在边界条件施加方式不清晰、分析步骤不规范，因而造成强度分析结果不准确，分析结果与实际的应力分布不相符，导致实验方式成本高、耗时长的问题，提供一种采用有限元模拟方式获取谐波齿轮传动应力的分析方法，为谐波齿轮关键零部件的强度分析提供理论依据。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法，谐波齿轮减速器包括波发生器(凸轮和柔性轴承组成)、柔轮和刚轮，有限元建模分析方法包括以下步骤：
S1：利用三维建模软件建立谐波齿轮减速器传动装配体模型；
S2：在前处理软件中，对步骤S1中谐波齿轮减速器传动装配体模型进行简化，取消不必要的几何特征，选择六面体单元对各零部件模型进行有限元网格划分，并将各零部件网格模型导入到有限元分析软件中添加各零件材料；
S3：在有限元仿真软件中赋予相应步骤S2相应零部件网格单元材料属性，并将相应零件进行装配，设置坐标系以及参考点；
S4：设置分析步与分析历程输出项，建立谐波齿轮减速器各部分间的接触关系；
S5：在谐波齿轮减速器传动装配体模型上、节点上施加边界条件和施加载荷；
S6：对步骤S5中谐波齿轮减速器有限元传动装配体模型进行计算，处理计算结果。
进一步，步骤S1中，根据所述谐波齿轮减速器结构，利用三维建模软件SolidWorks建立包含波发生器、柔轮、刚轮的谐波齿轮减速器装配体模型，导出前处理软件能够识别的step格式文件。
进一步，步骤S2中，前处理软件为HyperMesh，对装配体模型有限元网格划分后导出有限元分析软件能够识别的inp格式文件，有限元分析软件为ABAQUS，设置解算类型为隐式静力学结构分析。
进一步，步骤S3中材料属性参数包括弹性模量和泊松比；全局直角坐标系原点位于刚轮的圆心处，建立刚轮参考点RP-Rigid；柔轮局部坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，建立柔轮参考点RP-Fexible；凸轮局部坐标系原点位于凸轮的圆心处，建立凸轮参考点RP-Wave，以便后续为凸轮施加转动位移，三个坐标系的转动中心轴重合。
进一步，步骤S4中谐波减速器有限元分析共分为4个分析步，分别为：Step1-Assemble，模拟波发生器装配及波发生器与柔轮装配过程；Step 2-Contact，模拟刚柔轮轮齿接触过程；Step 3-Load，模拟柔轮实际受载过程；Step 4-Rotate，模拟波发生器转动过程；谐波减速器相互作用中对凸轮与柔性轴承内圈以及柔性轴承外圈与柔轮内壁进行相互作用属性设置，属性为力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.15；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈以及柔轮齿齿面与刚轮齿齿面进行相互作用属性设置，属性为在力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.02。
进一步，步骤S4中将凸轮约束设置到参考点RP-Wave，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将柔轮约束设置到参考点RP-Fexible，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将刚轮约束设置到参考点RP-Rigid，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；对柔性轴承滚珠进行约束设置，约束类型为“绑定”，将滚珠“绑定”在柔性轴承内圈上。
进一步，步骤S4中创建凸轮与柔性轴承内圈接触，类型为“面面接触”，选择凸轮外圈为主表面，柔性轴承内圈为从表面，在相互作用管理器凸轮与柔性轴承内圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择干涉配合以及接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承滚珠与外圈接触，类型为“面面接触”，选择滚珠为主表面，柔性轴承外圈为从表面，在相互作用管理器柔性轴承滚珠与外圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承外圈与柔轮内壁接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面，在相互作用管理器柔性轴承外圈与柔轮内壁的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；在Step2-Contact创建柔轮齿齿面与刚轮齿齿面接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面。
进一步，步骤S5中对柔轮耦合点RP-Fexible进行边界条件设置，选择柔轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step3-Load中释放Z轴转动自由度；对刚轮耦合点RP-Rigid进行边界条件设置，选择全局坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度；对凸轮耦合点RP-wave进行边界条件设置，选择凸轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step4-Rotate中释放Z轴转动自由度，给凸轮施加转角位移。
进一步，步骤S5中对柔轮耦合点RP-Fexible在Step3-Load进行载荷施加设置，载荷类型为“弯矩”，选择柔轮局部坐标系。
进一步，步骤S6中提取谐波齿轮有限元分析模型的应力分布情况。
本方案的有益效果在于：
1、本发明所公开的获取谐波齿轮传动应力的分析方法，通过合理的简化几何模型，符合实际的边界设置和载荷分配设置，不仅能够正确表现谐波齿轮传动工作时各部件之间的相互关系，而且能够真实和快速的模拟谐波齿轮传动的受力情况。
2、本发明所公开的获取谐波齿轮传动应力的分析方法，所采用的有限元分析模型为完整的谐波齿轮，将柔性轴承的变形对整体谐波齿轮传动的影响进行考虑到，整个分析方法中边界条件施加方式清晰、分析步骤规范，强度分析结果准确高效，分析结果与实际的应力分布相符，该有限元分析方法提高了谐波齿轮传动有限元强度分析的准确性和快速性，有利于提取谐波齿轮传动应力分布情况。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种获取谐波齿轮传动应力分析方法的流程示意图；
图2为本发明一种谐波齿轮减速器装配模型示意图；
图3为本发明有限元分析结果示意图。
附图中标记如下：柔轮1、刚轮2、柔性轴承3、凸轮4。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
如图2所示谐波齿轮减速器包括波发生器、柔轮1和刚轮2，柔轮1和刚轮2啮合，该波发生器由凸轮4和柔性轴承3组成，波发生器与柔轮1内壁接触，凸轮4穿在柔性轴承3内圈中，柔性轴承3外圈与柔轮1的内壁接触，获取谐波齿轮传动应力的有限元建模分析方法包括如图1所示的以下步骤：
S1：根据谐波齿轮减速器结构，利用三维建模软件SolidWorks建立包含波发生器、柔轮、刚轮的谐波齿轮减速器装配体模型，导出前处理软件能够识别的step格式文件；
S2：将谐波减速器装配体导入有限元网格划分前处理功能软件HyperMesh中，根据谐波齿轮减速器结构以及分析需求，对模型进行简化，取消不必要的几何特征(倒角、圆角、螺栓孔)，在HyperMesh中选择六面体单元(C3D8R缩减积分单元)对各零部件装配体模型进行有限元网格划分，刚轮与柔轮单元尺寸控制在平均0.2mm，波发生器单元尺寸控制在平均0.5mm，导出有限元分析ABAQUS软件可识别的inp格式文件；进入有限元分析软件ABAQUS，设置解算类型为隐式静力学结构分析，并将各网格模型inp文件导入有限元分析软件ABAQUS中；
S3：在有限元分析软件中赋予相应零件网格单元材料属性，并将相应零件进行装配，设置坐标系以及参考点；
其中材料属性参数包括弹性模量和泊松比，刚轮材料为QT400，输入属性参数：弹性模量161GPa，泊松比0.274。柔轮材料为40CrNiMoA，输入属性参数：弹性模量209GPa，泊松比0.295。波发生器材料为GCr15，输入属性参数：弹性模量219GPa，泊松比0.3。
设置坐标系以及参考点：全局直角坐标系原点位于刚轮的圆心处，建立刚轮参考点RP-Rigid；柔轮局部坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，建立柔轮参考点RP-Fexible；凸轮局部坐标系原点位于凸轮的圆心处，建立凸轮参考点RP-Wave，以便后续为凸轮施加转动位移；三个坐标系的转动中心轴重合。
S4：设置分析步与分析历程输出项，建立谐波齿轮减速器各部分间的接触关系；
设置谐波减速器有限元分析步，谐波减速器有限元分析共分为4个分析步，分别为：Step1-Assemble，模拟波发生器装配与波发生器与柔轮装配过程；Step 2-Contact，模拟刚柔轮轮齿接触过程；Step 3-Load，模拟柔轮实际受载过程；Step 4-Rotate，模拟波发生器转动过程。
设置谐波减速器相互作用，对凸轮与柔性轴承内圈以及柔性轴承外圈与柔轮内壁进行相互作用属性设置，属性为力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.15；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈以及柔轮齿齿面与刚轮齿齿面进行相互作用属性设置，属性为在力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.02。
将凸轮约束设置到参考点RP-Wave，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将柔轮约束设置到参考点RP-Fexible，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将刚轮约束设置到参考点RP-Rigid，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；对柔性轴承滚珠进行约束设置，约束类型为“绑定”，将滚珠“绑定”在柔性轴承内圈上。
创建凸轮与柔性轴承内圈接触，类型为“面面接触”，选择凸轮外圈为主表面，柔性轴承内圈为从表面，在相互作用管理器凸轮与柔性轴承内圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择干涉配合以及接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承滚珠与外圈接触，类型为“面面接触”，选择滚珠为主表面，柔性轴承外圈为从表面，在相互作用管理器柔性轴承滚珠与外圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承外圈与柔轮内壁接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面，在相互作用管理器柔性轴承外圈与柔轮内壁的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；在Step2-Contact创建柔轮齿齿面与刚轮齿齿面接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面。
S5：在谐波齿轮减速器传动装配体模型上、节点上施加边界条件和施加载荷；
施加边界条件，对柔轮耦合点RP-Fexible进行边界条件设置，选择柔轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step3-Load中释放Z轴转动自由度；对刚轮耦合点RP-Rigid进行边界条件设置，选择全局坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度；对凸轮耦合点RP-Wave进行边界条件设置，选择凸轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step4-Rotate中释放Z轴转动自由度，给凸轮施加转角位移720°。对柔轮耦合点RP-Fexible在Step3-Load进行载荷施加设置，载荷类型为“弯矩”，载荷大小为33Nm，选择柔轮局部坐标系。
S6：对步骤S5中谐波齿轮减速器有限元传动装配体模型提交计算，从计算结果中提取谐波齿轮减速器有限元分析模型的应力分布情况，如图3所示。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (7)

1.一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：谐波齿轮减速器包括波发生器、柔轮和刚轮，该波发生器由凸轮和柔性轴承组成，有限元建模分析方法包括以下步骤：
S1：利用三维建模软件建立谐波齿轮减速器传动装配体模型；
S2：在前处理软件中，对步骤S1中谐波齿轮减速器传动装配体模型进行简化，取消不必要的几何特征，选择六面体单元对各零部件模型进行有限元网格划分，并将各零部件网格模型导入到有限元分析软件中添加各零件材料；
S3：在有限元仿真软件中赋予相应步骤S2相应零部件网格单元材料属性，并将相应零件进行装配，设置坐标系以及参考点；其中材料属性参数包括弹性模量和泊松比；全局直角坐标系原点位于刚轮的圆心处，建立刚轮参考点RP-Rigid；柔轮局部坐标系原点位于柔轮法兰的圆心处，建立柔轮参考点RP-Fexible；凸轮局部坐标系原点位于凸轮的圆心处，建立凸轮参考点RP-Wave，以便后续为凸轮施加转动位移，三个坐标系的转动中心轴重合；
S4：设置分析步与分析历程输出项，建立谐波齿轮减速器各部分间的接触关系；其中谐波减速器有限元分析共分为4个分析步，分别为：Step1-Assemble，模拟波发生器装配及波发生器与柔轮装配过程；Step 2-Contact，模拟刚柔轮轮齿接触过程；Step 3-Load，模拟柔轮实际受载过程；Step 4-Rotate，模拟波发生器转动过程；将凸轮约束设置到参考点RP-Wave，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将柔轮约束设置到参考点RP-Fexible，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；将刚轮约束设置到参考点RP-Rigid，约束类型为“耦合”，耦合类型为“运动”；对柔性轴承滚珠进行约束设置，约束类型为“绑定”，将滚珠“绑定”在柔性轴承内圈上；
S5：在谐波齿轮减速器传动装配体模型上、节点上施加边界条件和施加载荷；其中对柔轮耦合点RP-Fexible进行边界条件设置，选择柔轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step3-Load中释放Z轴转动自由度；对刚轮耦合点RP-Rigid进行边界条件设置，选择全局坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度；对凸轮耦合点RP-wave进行边界条件设置，选择凸轮局部坐标系，边界类型选择“位移/转角”，在Step1-Assemble约束6个自由度，Step4-Rotate中释放Z轴转动自由度，给凸轮施加转角位移；
S6：对步骤S5中谐波齿轮减速器有限元传动装配体模型进行计算，处理计算结果。
2.根据权利要求1所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S1中，根据所述谐波齿轮减速器的结构，利用三维建模软件SolidWorks建立包含波发生器、柔轮、刚轮的谐波齿轮减速器装配体模型，导出前处理软件能够识别的step格式文件。
3.根据权利要求2所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S2中，前处理软件为HyperMesh，对装配体模型有限元网格划分后导出有限元分析软件能够识别的inp格式文件，有限元分析软件为ABAQUS，设置解算类型为隐式静力学结构分析。
4.根据权利要求3所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S4中谐波减速器相互作用中对凸轮与柔性轴承内圈以及柔性轴承外圈与柔轮内壁进行相互作用属性设置，属性为力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.15；对柔性轴承滚珠与柔性轴承外圈以及柔轮齿齿面与刚轮齿齿面进行相互作用属性设置，属性为在力学选项中的切向行为中选择“罚函数”，类型为有摩擦，摩擦因子设为0.02。
5.根据权利要求4所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S4中创建凸轮与柔性轴承内圈接触，类型为“面面接触”，选择凸轮外圈为主表面，柔性轴承内圈为从表面，在相互作用管理器凸轮与柔性轴承内圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择干涉配合以及接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承滚珠与外圈接触，类型为“面面接触”，选择滚珠为主表面，柔性轴承外圈为从表面，在相互作用管理器柔性轴承滚珠与外圈的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；创建柔性轴承外圈与柔轮内壁接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面，在相互作用管理器柔性轴承外圈与柔轮内壁的接触选项中选择Step1-Assemble，选择接触控制，并在Step2-Contact中取消选择；在Step2-Contact创建柔轮齿齿面与刚轮齿齿面接触，类型为“面面接触”，选择柔性轴承外圈为主表面，柔轮内壁为从表面。
6.根据权利要求5所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S5中对柔轮耦合点RP-Fexible在Step3-Load进行载荷施加设置，载荷类型为“弯矩”，选择柔轮局部坐标系。
7.根据权利要求6所述获取谐波齿轮传动应力的分析方法，其特征在于：步骤S6中提取谐波齿轮有限元分析模型的应力分布情况。
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