CN114239159A - 一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大型掘进机主轴承多参数优化与可靠性设计领域，提出了一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法。本发明在进行网格划分时，充分考虑了齿轮轮齿的几何特征，采用复制轮齿轮廓线对轮齿表面进行网格划分区域切分的方法，有效提高了有限元模型的几何还原度；解决了现有齿轮网格划分方法网格数量与网格质量不能兼得的弊病，确保了有限元仿真分析的精确性；灵活地调整网格单元类型、网格单元大小、网格单元层数、小齿轮加密网格划分轮齿个数、大齿圈加密网格划分轮齿个数、大齿圈轮齿保留个数等条件，以满足不同类型有限元仿真分析要求且具有较强的通用性。

Description

一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法

技术领域

本发明涉及大型掘进机主轴承多参数优化与可靠性设计领域，具体涉及一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法。

背景技术

大型掘进机驱动齿轮组是掘进机动力输出的中心，起到支撑着刀盘、输入扭矩、连接轴承的作用；由于土层的硬度不同，驱动齿轮组在工作过程中会承受交变载荷，且载荷变化较为剧烈，严重时会发生齿根折断的事故，造成主驱动系统失效；施工过程中，主驱动系统的损坏对整个项目是巨大的损失，地下维修或更换十分困难，因此对主驱动系统的大齿圈和驱动小齿轮的承载能力校核具有现实的工程意义；目前大型掘进机驱动齿轮组承载能力校核多采用有限元仿真软件进行，有限元仿真过程中最重要的一步就是网格划分前处理，网格质量的高低和数量决定有限元仿真的精确性和计算时间。

大型掘进机驱动齿轮组的齿轮轮齿的几何尺寸较大、几何形状较为复杂，轮齿齿顶和齿根部分的齿宽相差较大，若想保证齿轮的精度的情况下使用商业有限元软件实现齿轮网格的自动生成，网格数量将十分庞大，甚至突破千万级，且难以保证有限元模型网格质量、齿面节点几何精度，同时严重增加有限元分析的计算量，普通小型服务器根本无法完成网格数量如此庞大的有限元分析，对服务器的配置提出了严峻挑战。

现有的齿轮网格划分方法专利大多仅能针对于尺寸小、几何形状不复杂的小型齿轮，生成精度较低的网格单元；对于大型掘进机主轴承驱动齿轮组这种大型齿轮的有限元仿真网格划分方法处于空白，普通的网格划分方法精度无法达到有限元仿真要求；大型有限元模型网格划分未能达到网格质量要求，有限元模型将难以收敛，仿真所得结果可与真实结果相差数倍。

发明内容

本发明针对现有大型掘进机驱动齿轮组网格划分方法的空白，提出一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法，拟解决大型有限元模型网格几何还原度低，网格数量多、网格质量差，网格划分速度慢，占用计算资源较大等现实工程问题；

本发明提出一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法，应用Hypermesh软件进行有限元网格划分，包括以下5个步骤：

S1：建立大型掘进机驱动齿轮组有限元模型；

大型掘进机驱动齿轮组包括驱动小齿轮和大齿圈，二者模数、压力角和齿宽相同；

S2：对驱动小齿轮中与大齿圈接触受力的轮齿进行加密网格划分，加密网格大小设置为Nmm、层数设置为M层；加密网格单元大小及加密网格层数可根据有限元仿真需求进行调整；

以驱动小齿轮齿根圆角顶点至圆心的距离为半径作圆形切割线，将驱动小齿轮的轮齿与轮毂切分为两部分；选定轮齿齿顶处齿宽2(M+1)Nmm处作为网格划分边界，对轮齿部分进行切割，切割后的轮齿部分进行映射四边形网格划分，以满足加密网格层数需求、并以能为非重要区域网格稀疏处理留出过渡网格的网格层为起始网格层，以该起始网格层底部边界线为切割线，将轮齿表面切分为两部分，该切割线为驱动小齿轮加密网格划分起始轮廓线；其中，起始网格层的确定可由有限元仿真需求进行调整；

复制两侧轮齿边缘轮廓线，向轮齿中部平移N*Mmm，平移后的轮齿轮廓线被起始轮廓线分为两部分，靠近轮毂部分的轮齿轮廓线作为平面切割线a，与起始轮廓线共同作用将轮齿表面切分为A、B、C、D四部分，其中A、B、C部分为接触轮齿受力区域，D部分为接触轮齿受力分析非重要区域；

采用Nmm大小四边形映射网格，分别对A、B、C三部分进行加密网格划分；对D部分进行稀疏网格划分；以B、C部分的网格节点为参照点，对D部分划分多个网格过渡区；D部分网格过渡区中径向网格数量与B、C部分网格数量相同，横向网格数量随层数下移依次递增过渡；

轮齿两侧齿槽中点分别与驱动小齿轮圆心连接作两侧切割线，将进行网格划分的轮毂切分出来；以驱动小齿轮齿根圆角轮廓线的圆心为中心，放大齿根圆角轮廓线作为切割线，将驱动小齿轮表面进行切分，放大齿根圆角轮廓线与原齿根圆角轮廓线间距离为N*Mmm；

选择D区域底层网格节点作为轮齿左右过渡圆角区域边界点，边界点的选取需覆盖放大的齿轮过渡圆角轮廓线区域，并预留出过渡网格划分区域；测量轮齿齿根过渡圆角顶点(靠近齿顶)至边界点距离为固定长度，分别以轮齿左右齿槽中点为基准点，以固定长度为距离，在两侧切割线上分别插入1个节点，将插入的2个节点分别与轮齿对应侧的过渡圆角区域边界点相连接，作为平面切割线b；以轮毂圆心至插入节点的距离为半径作圆平面切割线，将驱动小齿轮的轮毂切分为E、F、G、H、L、M六部分；

采用Nmm大小四边形映射网格，分别对E、H两个接触轮齿受力部分进行加密网格划分；F、G部分网格划分的横向网格数量与齿根圆角部分网格数量相同；L部分网格划分的纵向网格单元数量与齿根圆角部分网格数量相同；对M部分进行稀疏网格划分；

复制完成划分的轮齿网格，将其分别向左右旋转m度，

n为轮齿个数；

S3：驱动小齿轮中未与大齿圈接触受力的轮齿过渡与稀疏处理网格划分；

首先完成加密网格处理的接触轮齿与左右两侧非接触轮齿过渡网格的划分，接触轮齿两侧相邻非接触轮齿过渡网格划分方法相同；以放大齿根圆角轮廓线作为面切割线，将轮齿过渡圆角区域单独切分出来；将轮齿过渡圆角区域进行等距切分；在轮齿与轮毂的分割线上插入一个中点，将L部分底部边界线两个顶点与插入的中点相连接作为平面切割线c；在L部分底部等距插入若干节点，插入节点以L部分底部分割线中点为界限，左右两侧节点分别向左右两侧的平面切割线c作垂线为平面切割线d；

相邻非接触轮齿齿轮部分采用四边形映射网格对轮齿部分进行划分，与接触轮齿加密网格相邻处采用过渡网格划分，过渡网格外圈区域以过渡网格数量进行划分，中间区域自动生成网格单元；

不相邻非接触轮齿采用四边形映射网格划分，网格划分方法与相邻非接触轮齿网格划分方法相同，仅省略过渡圆角区域的过渡网格划分步骤，复制划分好的网格，完成齿轮表面网格划分；

由面网格拉伸生成3D网格；

S4：大齿圈的加密与稀疏网格划分；

参照大齿圈外侧形状的差异性，将其在径向切分为外侧形状相等的若干部分，以大齿圈圆心至大齿圈齿根顶点的距离为半径作切割线，切分大齿圈轮齿与外圈；将切分后的各部分的外侧边界线在大齿圈径向面积最大的表面进行映射，并作为平面切割线切割大齿圈表面；

大齿圈中与驱动小齿轮相接触的两个轮齿做加密网格划分，轮齿接触部分的网格单元大小设置为Nmm，加密网格层数为M层；复制接触轮齿两侧轮廓线向轮齿中部平移N*Mmm，以平移后的轮齿轮廓线与第一区域的交点向第一区域底部分界线作垂线，并作为面分割线；相邻接触轮齿两侧的非接触轮齿齿根底部顶点向第一区域底部边界线作垂线，并作为面切割线；第一区域切分为2层，在齿槽部分及轮齿轮廓线平移区域所对应第一区域的第二层做网格过渡区切分；轮齿中部为稀疏网格区域，齿槽及轮齿轮廓线平移区域为加密网格区域；采用Nmm大小四边形映射网格对轮齿接触部分两侧进行加密网格划分；稀疏网格区域纵向单元个数与两侧加密网格区域相同；确定齿槽及轮齿轮廓线平移区对应的网格过渡区的过渡网格形式，进行过渡网格划分；

非接触轮齿采用四边形映射网格划分，与接触轮齿相连部分采用过渡网格划分；与接触轮齿不相邻的非接触轮齿网格，省略过渡网格划分步骤，其余与相邻接触轮齿的非接触轮齿网格划分方法相同；

大齿圈外侧网格分别完成过渡网格划分；

以主轴承内圈形状，分别将第一、第二、第三区域网格向两侧拉伸；

S5：检查与修改网格划分错误；

检查并修复驱动小齿轮和大齿圈网格节点重合及网格重复问题，完成整个网格划分过程。

所述过渡网格划分方法包括四合一过渡网格划分、五合一过渡网格划分和四合二过渡网格划分。

和现有齿轮网格划分技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明在进行网格划分时，充分考虑了齿轮轮齿的几何特征，采用复制轮齿轮廓线对轮齿表面进行网格划分区域切分的方法，有效提高了有限元模型的几何还原度；

2、本发明解决了现有齿轮网格划分方法网格数量与网格质量不能兼得的弊病，采用结构化六面体网格对驱动齿轮组进行网格划分，网格单元类型为solid185二阶单元，在大幅减少网格数量的同时，保证轮齿接触受力区域、应变区域的网格质量满足有限元仿真的需求，使有限元模型在有限元仿真分析计算时的收敛性更好，确保了有限元仿真分析的精确性；

3、本发明可根据有限元仿真分析需求，灵活地调整网格单元类型、网格单元大小、网格单元层数、小齿轮加密网格划分轮齿个数、大齿圈加密网格划分轮齿个数、大齿圈轮齿保留个数等条件，以满足不同类型有限元仿真分析要求；

4、本发明不止可以用于大型掘进驱动齿轮组有限元模型的网格划分，还可应用于大型盾构机驱动齿轮组、风电齿轮组等大型齿轮有限元模型的网格划分，具有较强的通用性。

附图说明

图1为大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的三维建模；

图2为驱动小齿轮中与大齿圈接触轮齿的网格划分区域的切分；

图3为驱动小齿轮中与大齿圈接触轮齿的轮齿部分面网格划分结果示意图；

图4为驱动小齿轮中与大齿圈接触轮齿的轮毂部分网格划分区域的切分；

图5为驱动小齿轮中与大齿圈接触轮齿的轮毂部分面网格划分结果示意图；

图6为驱动小齿轮中与大齿圈接触轮齿的三齿加密面网格划分结果示意图；

图7为驱动小齿轮中与加密网格处理轮齿相邻的非接触轮齿网格划分区域的切分；

图8为驱动小齿轮中与加密网格处理轮齿相邻的非接触轮齿的过渡与稀疏处理网格划分；

图9为驱动小齿轮中与加密网格处理轮齿不相邻的非接触轮齿的网格划分区域的切分；

图10为驱动小齿轮中与加密网格处理轮齿不相邻的非接触轮齿网格划分结果示意图；

图11为驱动小齿轮整体面网格划分结果示意图；

图12为驱动小齿轮3D网格划分结果示意图；

图13为大齿圈不规则形状外圈切分；

图14为大齿圈中与小齿轮接触轮齿的网格划分区域的切分；

图15为大齿圈中与小齿轮接触轮齿的轮齿部分网格划分区域的切分；

图16为大齿圈中与小齿轮接触轮齿的轮齿部分网格划分结果示意图；

图17为大齿圈轮齿部分网格划分结果示意图；

图18为大齿圈面网格划分结果示意图；

图19为大齿圈3D网格划分结果示意图；

图20为驱动齿轮组整体网格划分结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点有更进一步的了解与认识，下面结合实施例与附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。本实施例对某6000型掘进机驱动齿轮组有限元模型进行网格划分，该网格划分方法在大幅减少网格单元数量的同时能够保证驱动齿轮组接触轮齿网格质量满足有限元仿真需求，确保有限元仿真分析的精确性，大幅缩短有限元仿真分析的计算时间，该网格划分方法具体包括如下步骤；

S1、三维建模大型掘进机驱动齿轮组有限元模型；

利用Solidworks软件对大型掘进机驱动齿轮组进行有限元模型的三维建模，本实施例驱动小齿轮的主要设计参数为：模数25、齿数16、变位系数0.5、压力角20°、齿宽275mm；大齿圈的主要设计参数为：模数25、齿数198、变位系数-1、压力角20°、齿宽275mm；根据有限元仿真分析需求，本实施例仅保留一个驱动小齿轮和部分大齿圈，建立好的三维模型如图1所示；接触轮齿加密网格的大小设置为1.5mm、层数设置为5层。

S2：驱动小齿轮中与大齿圈接触受力的轮齿加密网格划分；

以驱动小齿轮(以下称小齿轮)齿根圆角顶点至圆心的距离为半径作圆形切割线，将小齿轮的轮齿与轮毂切分为两部分；

小齿轮的齿顶和齿根部分的齿厚相差较大，齿顶处齿厚长度较小，无法满足加密网格层数的划分需求，本实施例中小齿轮齿顶处的齿宽不足15mm，需确定小齿轮轮齿齿宽大于10个加密网格单元即15mm的位置；应用automesh功能以加密网格单元对切割后的轮齿部分进行映射四边形网格划分，找到可以满足加密网格层数需求、并能为非重要区域网格稀疏处理留出过渡网格的网格层的起始网格层，本实施例选择网格单元数量为12的网格层为起始网格层，为非重要区域的稀疏处理留出2个过渡网格；，以起始网格层底部边界线为平面切割线，将轮齿的表面切分为两部分，以该切割线为小齿轮加密网格划分的起始轮廓线；

分别复制两侧轮齿边缘轮廓线，向轮齿中部平移，平移距离由加密网格单元大小及网格层数确定，本实施例平移距离为1.5mm*5＝7.5mm，平移后的2条轮齿轮廓线被加密网格划分起始轮廓线分为两个部分，将靠近轮毂部分的轮齿轮廓线的作为平面切割线a，与起始轮廓线共同作用，将轮齿表面切分为A、B、C、D四部分，本实施例的切分结果如图2所示；

应用automesh功能，采用加密网格单元大小的四边形映射网格，本实施例为1.5mm，分别对A、B、C三个部分进行加密网格划分；

D部分承受应力、应变较小为有限元分析非重要区域，该部分网格进行稀疏网格划分，以B、C部分的网格节点为参照点，将D部分划分为多个网格过渡区，本实施例分别以起始轮廓线下B、C部分的第5层和第9层网格底部边界线为切割线，将D部分切分为3个网格过渡区，网格过渡区的划分位置及数量可由有限元仿真分析需求进行合理调整；

根据有限元仿真需求确定D部分3个网格过渡区横向网格数量，D部分径向网格数量与B、C部分网格数量相同，应用automesh功能对D部分的3个网格过渡区进行网格划分，本实施例网格过渡区采用由一层2个网格单元到1层6个网格单元的过渡网格划分，轮齿区域的2D面网格划分结果如图3所示；

选择网格划分轮齿的两侧齿槽中点分别与小齿轮圆心连线并作两侧切割线，将进行网格划分的轮毂单独切分出来；

应用scale功能，以小齿轮齿根圆角轮廓线的圆心为中心，放大齿根圆角轮廓线作为切割线将小齿轮表面进行切分，放大倍数由齿根圆角轮廓线与放大后齿根圆角轮廓线间的加密网格单元大小及网格层数确定，本实施例放大后轮廓线与原轮廓线间距离为1.5mm*5＝7.5mm；

根据放大的齿根圆角轮廓线确定轮齿左右过渡圆角区域的边界点，边界点从D区域底层网格节点中进行选取，边界点需覆盖放大的齿轮过渡圆角轮廓线区域，并预留出过渡网格划分区域；测量轮齿齿根过渡圆角顶点(靠近齿顶)至分界点的距离为固定长度，以轮齿两侧齿槽中点为基准点，以固定长度为距离在两侧切割线上分别插入1个节点，将插入的2个节点分别与齿轮对应侧的过渡圆角区域边界点相连接，并作为平面切割线b；以轮毂圆心至插入节点的距离为半径作圆平面切割线，将小齿轮轮毂切分为6部分，本实施例以D区域底层第2列单元右下节点和第5列单元左下节点为过渡圆角区域的分界点，将小齿轮轮毂部分切分为E、F、G、H、L、M六部分，切分结果如图4所示；

应用automesh功能，采用加密尺寸的四边形映射网格分别对E、H两个部分进行加密网格划分，本实施例采用1.5mm大小的四边形映射网格进行加密网格划分；

应用automesh功能对F、G部分进行网格划分，两部分横向网格数量与齿根圆角部分网格数量相同，纵向网格层数根据有限元仿真需求进行确定，本实施例纵向采用两层网格单元划分；对L部分进行网格划分，该部分根据有限元仿真需求进行过渡网格划分，本实施例由横向2个网格扩增为4个网格单元，纵向网格单元数量与齿根圆角部分网格数量相同；

M部分受力和应变较小为非重要区域，对M部分进行稀疏网格划分，本实施例M部分采用横向网格单元4个、纵向网格单元5个进行网格划分，横、纵向网格单元数量可由有限元仿真需求进行调整，接触轮齿的2D面网格划分结果如图5所示；

根据有限元仿真需求确定加密网格划分轮齿的个数，复制划分好的加密轮齿网格，应用rotate功能，将复制的网格进行旋转，完成小齿轮加密网格轮齿的划分，本实施例小齿轮有15个轮齿，根据有限元仿真需求对3个轮齿进行加密网格划分，故将复制的齿轮网格分别向左右旋转24°；加密网格划分的轮齿数量及复制网格旋转角度由有限元仿真需求及齿轮轮齿个数进行调整，三齿加密小齿轮2D面网格划分结果如图6所示。

S3：驱动小齿轮中未与大齿圈接触受力轮齿的过渡与稀疏处理网格划分

非接触轮齿所承受应力应变较小，对有限元仿真分析结果影响较小，可采用稀疏网格划分，以缩减有限元仿真分析的时间；首先需完成接触轮齿两侧的非接触轮齿过渡网格的划分，此处以接触轮齿右侧相邻非接触轮齿为例，阐述过渡网格划分方法，接触轮齿左侧相邻非接触轮齿过渡网格划分方法与右侧相同，此处不予赘述；

按前述齿根过渡圆角轮廓线放大方法绘制接触轮齿右侧相邻非接触轮齿齿根过渡圆角轮廓放大曲线，并作为面切割线将轮齿过渡圆角区域单独切分出来；根据有限元仿真需求将轮齿过渡圆角区域进行等距切分，本实施例在过渡圆角轮廓线与放大的过渡圆角轮廓线上分别等间距插入2个节点，连接相对应节点作面切割线，将轮齿过渡圆角区域切分为三部分；

与接触轮齿相邻的非接触轮齿平面切分方法较复杂，对照前述接触轮齿切分区域加以说明，在轮齿与轮毂的分割线插入一个中点，将L区域底部边界线2个顶点与插入的中点相连接，并作为平面切割线c；在L区域底部等距插入若干节点，插入节点以分割线中点为界限，左右两侧节点分别向左右两侧的平面切割线做垂线，并作为平面切割线d；结合有限元需求将非接触轮齿表面划分为若干个区域,本实施例在非接触轮齿的L区域底部边界线上等间距插入3个节点，在两条切割线上分别插入两个节点，将非接触轮齿表面划分为13个区域，如图7所示；

根据有限元仿真需求确定非接触轮齿的轮齿部分网格单元大小，采用四边形映射网格对轮齿部分进行划分，与接触轮齿加密网格相邻处采用过渡网格划分，过渡网格外圈区域参照过渡网格数量进行划分，中间区域根据有限元仿真需求确定网格排列方式，应用automesh自动生成网格单元，本实施例轮齿部分网格采用6*6四边形映射网格划分；与加密网格相邻的过渡圆角接触处划分为5合1网格，其余两个区域划分为单个网格；在过渡网格外圈区域划分为3*2四边形映射网格；其对称部分划分为3*3四边形映射网格；中间区域按照10mm网格大小自动生成，划分后网格结果如图8所示；

与接触轮齿不相邻非接触轮齿，表面切分方法仅需将前述的过渡圆角区域省略即可，网格划分方法与前述相邻非接触轮齿相同，本实施例非接触轮齿网格划分区域的切分结果如图9所示，网格划分方法与前述相同，本实施例的与接触轮齿不相邻的非接触轮齿2D网格划分结果如图10所示，复制划分好的网格，应用rotate功能，旋转复制好的网格，完成齿轮表面网格划分，本实施例小齿轮整体2D网格划分结果如图11所示。

应用drag功能，将生成面网格进行拉伸生成3D网格，拉伸网格层数由有限元仿真需求确定，本实施例小齿轮齿宽为275mm，根据有限元仿真需求，确定网格拉伸层数为150层，单层网格大小为1.83mm，小齿轮3D网格划分结果如图12所示。

S4：大齿圈网格划分

本实施例大齿圈有限元模型尺寸较大，最大直径可达5米，结合力学分析，大齿圈仅保留10个轮齿即可满足有限元仿真需求，本发明仅介绍保留部分轮齿的大齿圈网格划分方法，全齿圈网格划分方法原理相同；

大型掘进机的大齿圈与主轴承内圈是一体的，主轴承内圈的主推、反推、径向滚道不在一个平面，其形状不规则，需按照大齿圈外侧形状在径向进行切分，本实施例将其切分为3个部分，如图13所示；

以大齿圈圆心至大齿圈齿根顶点的距离为半径作切割线，将大齿圈轮齿与外圈切分开来；为保证3D网格划分的连贯性，将前述经径向切分后各部分的外侧边界线界线在大齿圈径向面积最大的表面进行映射，并作为平面切割线切割大齿圈表面，大齿圈的划分在径向面积最大的表面进行，本实施例将大齿圈表面切分为3个区域，记为第一、二、三区域，切分结果如图14所示；

根据有限元仿真需求，确定大齿圈的加密网格划分轮齿个数、加密网格单元大小及网格层数，本实施例仅对大齿圈中部两个与小齿轮相接触的轮齿做加密网格划分，轮齿接触部分的网格单元大小设置为1.5mm，加密网格层数为5层；

大齿圈齿顶部分的齿厚较大，满足加密网格层数要求，复制接触轮齿轮廓线向轮齿中部平移，平移距离由加密网格单元大小及网格层数确定，本实施例平移距离为1.5mm*5＝7.5mm；以平移后的轮齿轮廓线与第一区域的交点向第一区域底部分界线作垂线，并作为面分割线；以相邻接触轮齿两侧的非接触轮齿靠近接触轮齿一侧的齿根顶点向第一区域底部边界线作垂线，并作为面切割线；轮齿中部为稀疏网格区域，齿槽及轮齿轮廓线平移区域为加密网格区域；

根据有限元仿真需求，将第一区域切分为2层，在齿槽部分及轮齿轮廓线平移区域所对应第一区域的第二层做网格过渡区切分，本实施例将第一区域进行等距切分，并将加密网格区域所对应的第一区域第二层进行等距切分，将齿槽对应网格过渡区的第一层切分为2个区域，将轮齿轮廓线平移区对应网格过渡区的第一层切分为1个单独区域，切分结果如图15所示；

应用automesh功能，采用加密网格单元尺寸的四边形映射网格对加密网格区域进行网格划分，本实施例采用1.5mm大小四边形映射网格对加密网格区域进行加密网格划分；

根据有限元仿真需求确定稀疏网格区域横向单元个数，纵向单元个数与两侧加密网格区域相同，应用automesh功能进行稀疏网格划分；确定齿槽及轮齿轮廓线平移区对应的网格过渡区的过渡网格形式，进行过渡网格划分，本实施例确定稀疏网格区域的横向单元数为6个，网格过渡区采用四合一网格单元过渡，然后合并为一个网格，2D面网格划分结果如图16所示；

根据有限元仿真需求确定非接触轮齿的网格单元大小及网格层数，应用automesh功能采用四边形映射网格划分；与接触轮齿相连接部分采用过渡网格划分；与接触轮齿不相邻的非接触轮齿网格划分方法与前述方法相同，仅省略过渡网格划分步骤，本实施例非接触轮齿采用四边形映射网格按6*6层进行划分，与接触轮齿齿根相连部分采用四合一过渡网格划分，2D面网格划分结果如图17所示；

在第一区域第二层、第二区域等大齿圈表面切分区域分别完成过渡网格划分，过渡网格的合并形式可由有限元仿真需求进行调整，本实施例在大齿圈的第一区域第二层完成五合一网格过渡；在第二、三区域完成四合二网格过渡；网格划分结果如图18所示；

参照主轴承内圈形状，应用drag功能将大齿圈表面的网格进行拉伸生成3D网格，网格拉伸层数根据有限元分析需求确定，本实施例大齿圈的最大齿宽为275mm，最多拉伸层数为150层，一、二、三区域网格的拉伸层数由对应部分齿宽与最大齿宽的比例确定；选择全部网格单元更新为10节点solid185二阶单元，本实施例3D网格划分结果如图19所示。

S5:检查与修改常见的网格划分错误

应用edge和check elems功能检查小齿轮和大齿圈网格节点重合及网格重复等问题，并进行修复，完成整个网格划分过程，本实施例整体网格划分结果如图20所示。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明技术原理的前提下，本发明还可以做出若干变形和改进，这些变形与改进都落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1：建立大型掘进机驱动齿轮组有限元模型；

大型掘进机驱动齿轮组包括驱动小齿轮和大齿圈，二者模数、压力角和齿宽相同；

S2：对驱动小齿轮中与大齿圈接触受力的轮齿进行加密网格划分，加密网格大小设置为Nmm、层数设置为M层；

以驱动小齿轮齿根圆角顶点至圆心的距离为半径作圆形切割线，将驱动小齿轮的轮齿与轮毂切分为两部分；选定轮齿齿顶处齿宽2(M+1)Nmm处作为网格划分边界，对轮齿部分进行切割，切割后的轮齿部分进行映射四边形网格划分，以满足加密网格层数需求、并以能够为非重要区域网格稀疏处理留出过渡网格的网格层为起始网格层，以该起始网格层底部边界线为切割线，将轮齿表面切分为两部分，该切割线为驱动小齿轮加密网格划分起始轮廓线；

复制两侧轮齿边缘轮廓线，向轮齿中部平移N*Mmm，平移后的轮齿轮廓线被起始轮廓线分为两部分，靠近轮毂部分的轮齿轮廓线作为平面切割线a，与起始轮廓线共同作用将轮齿表面切分为A、B、C、D四部分，其中A、B、C部分为接触轮齿受力区域，D部分为接触轮齿受力分析非重要区域；

采用Nmm大小四边形映射网格，分别对A、B、C三部分进行加密网格划分；对D部分进行稀疏网格划分；以B、C部分的网格节点为参照点，对D部分划分多个网格过渡区；D部分网格过渡区中径向网格数量与B、C部分网格数量相同，横向网格数量随层数下移依次递增过渡；

轮齿两侧齿槽中点分别与驱动小齿轮圆心连接作两侧切割线，将进行网格划分的轮毂切分出来；以驱动小齿轮齿根圆角轮廓线的圆心为中心，放大齿根圆角轮廓线作为切割线，将驱动小齿轮表面进行切分，放大齿根圆角轮廓线与原齿根圆角轮廓线间距离为N*Mmm；

选择D区域底层网格节点作为轮齿左右过渡圆角区域边界点，边界点的选取需覆盖放大的齿轮过渡圆角轮廓线区域，并预留出过渡网格划分区域；测量轮齿齿根过渡圆角顶点至边界点距离为固定长度，分别以轮齿左右齿槽中点为基准点，以固定长度为距离，在两侧切割线上分别插入1个节点，将插入的2个节点分别与轮齿对应侧的过渡圆角区域边界点相连接，作为平面切割线b；以轮毂圆心至插入节点的距离为半径作圆平面切割线，将驱动小齿轮的轮毂切分为E、F、G、H、L、M六部分；

采用Nmm大小四边形映射网格，分别对E、H两个接触轮齿受力部分进行加密网格划分；F、G部分网格划分的横向网格数量与齿根圆角部分网格数量相同；L部分网格划分的纵向网格单元数量与齿根圆角部分网格数量相同；对M部分进行稀疏网格划分；

复制完成划分的轮齿网格，将其分别向左右旋转m度，

n为轮齿个数；

S3：驱动小齿轮中未与大齿圈接触受力的轮齿过渡与稀疏处理网格划分；

首先完成加密网格处理的接触轮齿与左右两侧非接触轮齿过渡网格的划分，接触轮齿两侧相邻非接触轮齿过渡网格划分方法相同；以放大齿根圆角轮廓线作为面切割线，将轮齿过渡圆角区域单独切分出来；将轮齿过渡圆角区域进行等距切分；在轮齿与轮毂的分割线上插入一个中点，将L部分底部边界线两个顶点与插入的中点相连接作为平面切割线c；在L部分底部等距插入若干节点，插入节点以L部分底部分割线中点为界限，左右两侧节点分别向左右两侧的平面切割线c作垂线为平面切割线d；

相邻非接触轮齿齿轮部分采用四边形映射网格对轮齿部分进行划分，与接触轮齿加密网格相邻处采用过渡网格划分，过渡网格外圈区域以过渡网格数量进行划分，中间区域自动生成网格单元；

不相邻非接触轮齿采用四边形映射网格划分，网格划分方法与相邻非接触轮齿网格划分方法相同，仅省略过渡圆角区域的过渡网格划分步骤，复制划分好的网格，完成齿轮表面网格划分；

由面网格拉伸生成3D网格；

S4：大齿圈的加密与稀疏网格划分；

参照大齿圈外侧形状的差异性，将其在径向切分为外侧形状相等的若干部分，以大齿圈圆心至大齿圈齿根顶点的距离为半径作切割线，切分大齿圈轮齿与外圈；将切分后的各部分的外侧边界线在大齿圈径向面积最大的表面进行映射，并作为平面切割线切割大齿圈表面；

大齿圈中与驱动小齿轮相接触的两个轮齿做加密网格划分，轮齿接触部分的网格单元大小设置为Nmm，加密网格层数为M层；复制接触轮齿两侧轮廓线向轮齿中部平移N*Mmm，以平移后的轮齿轮廓线与第一区域的交点向第一区域底部分界线作垂线，并作为面分割线；相邻接触轮齿两侧的非接触轮齿齿根底部顶点向第一区域底部边界线作垂线，并作为面切割线；第一区域切分为2层，在齿槽部分及轮齿轮廓线平移区域所对应第一区域的第二层做网格过渡区切分；轮齿中部为稀疏网格区域，齿槽及轮齿轮廓线平移区域为加密网格区域；采用Nmm大小四边形映射网格对轮齿接触部分两侧进行加密网格划分；稀疏网格区域纵向单元个数与两侧加密网格区域相同；确定齿槽及轮齿轮廓线平移区对应的网格过渡区的过渡网格形式，进行过渡网格划分；

非接触轮齿采用四边形映射网格划分，与接触轮齿相连部分采用过渡网格划分；与接触轮齿不相邻的非接触轮齿网格，省略过渡网格划分步骤，其余与相邻接触轮齿的非接触轮齿网格划分方法相同；

大齿圈外侧网格分别完成过渡网格划分；

以主轴承内圈形状，分别将第一、第二、第三区域网格向两侧拉伸；

S5：检查与修改网格划分错误；

检查并修复驱动小齿轮和大齿圈网格节点重合及网格重复问题，完成整个网格划分过程。

2.根据权利要求1所述的大型掘进机驱动齿轮组有限元模型的网格划分方法，其特征在于，所述过渡网格划分方法包括四合一过渡网格划分、五合一过渡网格划分和四合二过渡网格划分。

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