基于ABAQUS的轴承—齿轮系统静力学分析

基于ABAQUS的轴承—齿轮系统静力学分析

摘要:文章利用ABAQUS建立了轴承—齿轮系统的静态有限元模型,通过该模型的应力分布云图和位移分布云图,提出了一些优化改进轴承—齿轮系统结构的方案和措施。

关键词:轴承—齿轮系统;ABAQUS;有限元法

中图分类号:TN957.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0013-02 现代战争对雷达的性能要求越来越高,轴承—齿轮系统作为雷达的关键基础构件对其性能有重要影响。这就要求人们采用现代设计方法对雷达的关键基础构件进行设计,通过有限元方法,设计人员可以综合考虑影响齿轮系统动态特性的各种因素,在产品的设计阶段就对产品的性能和存在的问题一目了然,从而为产品改进设计提供了有效的技术途径,并大大减少了物理样机试制的时间和研制经费的投入,提高了设计效率。

1研究方法及理论依据

轴承—齿轮系统作为天线运动的载体,以底座为基础,包括横滚、俯仰和方位三个互相垂直的旋转运动,工作原理见图1。横滚转动为第一级运动,俯仰转动为第二级运动,方位转动为第三级运动。天线安装在方位部分的天线托架上,随着方位部分一起转动。方位部分的运动是主要运动,带动天线以一定的转速进行扫描,横滚部分和俯仰部分的运动只用来调整扫描的区域范围。系统通过对电机进行合理的控制,使轴承—齿轮系统的三个轴以一定的转速转动或转到某个角度。在3个轴的运动合成下,天线可完成对一定区域的扫描。

图1轴承—齿轮系统工作原理图

轴承—齿轮系统的每一级运动都由一个独立的伺服电机驱动。伺服电机经过两级齿轮减速,最后输出到轴承—齿轮系统的每一个轴上。在横滚的传动中,电机和减速部分固定不动,只有横滚转体转动;而在俯仰和方位的传动中,伺服电机和减速部分跟着转体一起绕轴转动。

2轴承—齿轮系统有限元模型建立

该有限元模型以六面体单元、四边形壳单元为主,还有少部分的连接单元、弹簧阻尼单元、刚性单元。利用Hypermesh统计该模型有111 850个单元,132 053个节点。

轴承—齿轮系统的整体结构的网格划分,见图2。 图2轴承—齿轮系统整体结构的有限元模型

3载荷处理

由于静态分析的特殊性,在静态分析时不用考虑齿轮的啮合,轴承的内外圈的关系,所以在静态分析时就不考虑齿轮的啮合时轮齿的啮合问题,轴承的内圈和外圈与其他相连结构通过实体单元连为一体。

建立如下坐标系:原点位于底座平面与圆筒轴线的交点,X轴沿轴线方向,Y轴位于底座平面内且指向底座缺口,Z轴满足右手定则。在该轴承—齿轮系统的静力学分析中分别施加x,y,z 3个方向大小为1 g的加速度来分析,每一个方向对应一种工况。约束加在3个螺栓上,约束其x,y,z 3个方向的平动自由度。

4结果与分析

在ABAQUS上计算了该有限元模型的应力与位移,模拟了3种工况。见图3、图4、图5。从中可以看出:

(1)在x,y,z 3种方向的载荷作用下,模型的最大应力分布在底盘的连接螺栓的附近,这是由于应力集中引起的。另外,除了螺栓的连接处就是底座加强筋上的应力最大。

(2)在x方向加载时模型的最大应力和最大位移都小于在y方向和z方向载入时的位移和应力,说明该模型在y,z方向的刚强度要比在x方向的刚强度小。

(3)在这3个方向上加载时筋板上的应力都比较大,可见筋板的作用就在此体现出来,增强了模型底盘的刚强度。

(4)在位移云图上可以看出方位电机、减速器的地方位移较大,因为此处的刚度较小,而方位驱动电机的质量和减速器的质量都集中于此,故产生较大的作用力,即位移较大。

(5)可以增加筋板的厚度或增加筋板的数目提高底座的刚强度;可以适当增加连接螺栓的数目,这可以减小螺栓连接处的应力。

参考文献

1 石守红、韩玉强、张锁怀.齿轮耦合的转子—轴承系统的研究现状[J].机械科学与技术,2002.21(5):703～706

Based on ABAQUS Bearing—Gear System Static Analysis

Chang Li

Abstract:Using ABAQUS the bearing — gear system static finite element model, stress distribution by the model cloud, and the displacement contours, made some optimization improvements bearing — gear system structure of the programs and measures.

Key words:bearings — gear system; ABAQUS; finite element method