基于Matlab、UG的渐开线圆柱齿轮有限元建模与分析.docx

基于Matlab、UG的渐开线圆柱齿轮有限元建模与分析
渐开线圆柱齿轮（简称渐开线齿轮）是一种常见的齿轮传动形式，其优点在于传动效率高、噪声低、传递扭矩大、精度高等。本文基于Matlab、UG两种软件，对渐开线圆柱齿轮进行有限元建模与分析。
一、渐开线圆柱齿轮建模
渐开线圆柱齿轮主要由齿轮齿形、齿轮基准面、齿间隙、齿轮材料等要素构成。在有限元建模中，需要先利用UG软件中的建模工具构建渐开线齿轮的三维模型。具体步骤如下：
1、准备齿轮基准面模型
齿轮基准面模型是指齿轮齿形的基准面，建模时需要先设计出齿轮齿形（包括模数、齿数、齿宽等参数），然后用UG软件中的圆柱体工具建立对应的圆柱体模型。
2、建立齿轮齿形模型
在UG中建立齿轮齿形模型的方法有很多，这里只介绍最基本的建模方法。具体步骤如下：
（1）创建一个表面特征线。
（2）利用表面特征线实现齿轮齿形曲面的建模。
（3）复制同样的特征线，旋转之后连接线和曲面成为完整的齿轮齿形模型。
3、添加齿间隙
由于渐开线圆柱齿轮是动态传动，因此齿轮之间需要留有一定的齿间隙，以确保正常的齿轮传动。建模时，利用UG的工具添加齿间隙即可。
4、导出模型文件
在完成三维模型的建立后，需要将其导出为STEP、IGS等格式的模型文件，以便进行有限元分析。
二、有限元分析
有限元分析是指通过有限元分析软件，对齿轮的扭转刚度、变形等物理特性进行计算分析的过程。本文采用的是基于Matlab编写的有限元分析程序。
有限元分析程序主要包含以下几个步骤：
1、输入模型文件
将前面导出的渐开线圆柱齿轮模型文件导入到有限元分析程序中。
2、进行网格划分
将齿轮模型进行网格划分，划分越密，分析结果越准确。
3、设置物理参数
设置齿轮的材料物理参数，如弹性模量、泊松比等。
4、施加载荷
通过分析齿轮传动瞬间，得到齿轮的受力情况，然后施加相应大小的载荷到模型上。
5、进行有限元计算
通过有限元计算，得到齿轮的变形情况、应力分布等物理参数。
6、分析结果
根据有限元分析计算结果，可以得到齿轮的一系列物理特性，如应力分布、变形情况、扭转刚度等。通过分析这些结果，可以判断齿轮的强度是否满足传动要求。
三、建议优化方案
通过有限元分析计算结果，如果发现齿轮强度不足以满足传动要求，可以通过优化设计来提高齿轮强度。优化方案主要包括两个方面：
1、优化齿轮材料
可以选择强度更高、刚度更好的材料，以提高齿轮的强度。
2、优化齿轮齿形
可以通过修改渐开线齿轮齿形参数，如增加齿顶高度、减小齿根高度等，以提高齿轮的扭转刚度和强度。
四、结论
通过基于Matlab、UG的渐开线圆柱齿轮有限元建模与分析，可以得到齿轮的一系列物理特性，如应力分布、变形情况、扭转刚度等。通过分析这些结果，可以判断齿轮的强度是否满足传动要求，并采取相应的优化方案来提高齿轮强度。