采用UG_HyperMesh和ANSYS的齿轮轴模态分析_舒彪

HyperMesh和ANSYS的齿轮轴模态分析采用UG、

舒彪，喻道远，王灯，张三强

（华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉430074）

HyperMesh强大的网格划分能力以及ANSYS的有限元分析功能，摘要：借助UG强大的几何建模功能、采用将三者结合的分析方法，对齿轮轴进行模态分析，得出了其低阶固有频率和振型，对正确合理地设计齿轮轴结构具有理论意义。关键词：ANSYS软件；HyperMesh软件；UG软件；齿轮轴；模态分析中图分类号：TP391．7

文献标志码：A

文章编号：1671—3133（2012）02—0071—04

ModelanalysisofgearshaftbasedonUG，HyperMeshandANSYS

ShuBiao，YuDaoyuan，WangDeng，ZhangSanqiang

（StateKeyLaboratoryofDigitalManufacturingEquipment＆Technology，Huazhong

UniversityofScience＆Technology，Wuhan430074，China）

Abstract：ThepowerfulmodelingfunctionofUG，meshingfunctionofHyperMeshanddefiniteelementanalysisfunctionofAN-SYShavebeenfullyusedbasedontheintegrationofthosethreesoftwaretoperformthemodelanalysisofgearshafttoobtainitslow-ordernaturalfrequenciesandvibrationmodewhichprovidesatheoreticalbasisfordesigninggearshaftaccuratelyandreason-ably．

Keywords：ANSYS；HyperMesh；UG；gearshaft；modelanalysis

0引言

有强大的有限元网格前处理和后处理功能。但与UG

相比，其几何建模功能较为薄弱，且操作界面不友好；与ANSYS相比，其有限元分析时材料和单元类型较少，求解方法难以设置，在有限元分析计算与结果处理方面的性能也较为逊色。

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。可以进行结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。尽管其内有几何建模模块，但是在处理复杂形状时，其建模功能远不如专业化几何建模软件UG强大。在网格划分方面也与专业化的有限元前后处理软件HyperMesh有一定的差距。

综上所述，利用UG对齿轮轴几何建模，然后利用HyperMesh划分网格建立有限元模型，采用AN-SYS进行分析计算，可以综合运用三个软件的优势，有效地提高整个分析计算过程的速度和质量。

齿轮轴是减速器的重要组成部分，齿轮轴在高速

运行状态下的动态特性，如振动、噪声、稳定性是判断其性能的重要指标，也是影响减速器整机运行性能的重要因素。因此，对齿轮轴进行模态分析，能为齿轮轴的正确合理设计、使其具有良好的动态性能指标、以及解决结构上出现的动态性能缺陷问题提供理论依据。针对某型号减速器的齿轮轴，本文在对其进行模态分析的几何建模、网格划分、分析计算各个不同分析阶段分别采用不同的软件，综合运用UG软件、HyperMesh软件、ANSYS软件的各自特点，以提高解决问题的效率和精度。

1

UG［1］、HyperMesh［2］、ANSYS［3］软件简介

UG软件为交互式CAD/CAM系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它最突出的优点就是其几何建模功能，但它在有限元网格划分及有限元分析计算和后处理方面的功能较为薄弱。

HyperMesh软件是一个高性能的有限元前后处理软件，是美国Atair公司的产品。它最著名的特点是具

2模态分析理论

模态分析是用来确定结构或构件的振动特性，即

71

2012年第2期现代制造工程（ModernManufacturingEngineering）

固有频率和振型。在承受动载荷的结构设计中，它们是重要参数。

由于模态是系统结构的固有特性，与外载无关，所以在进行模态分析时，不需要设置外载边界条件，即总载荷向量｛f（t）｝=0。由于阻尼对结构的固有频率和振型影响很小，所以，不考虑系统阻尼影响。因无阻尼多自由度系统的自由振动微分方程为：此，

¨｝+［［M］｛qK］｛q｝=｛0｝（1）M］、［K］式中：［分别为结构的总质量矩阵和总刚度矩¨｝、｛q｝分别为整体坐标系下结构的加速度向量阵；｛q

和位移向量。

式（1）对应的特征值方程为：（［K］－w2［M］）｛q｝=｛0｝式中：w为系统的固有频率。

（2）

圆的圆柱，如图1b所示。

4基于HyperMesh齿轮轴有限元模型的建立

有限元模型要为计算提供所有原始数据，这些输入数据直接影响计算结果的正确与否。由于分析对象的形状、工况条件、材料性质的复杂性，要建立一个完全符合实际的有限元模型是很难的。它需要考虑的因素很如形状的简化、单元类型的选择和边界条件处理等。多，通常，建立有限元模型所花费的时间约占整个分析时间建立正确可靠的有限元模型的70%左右。由此可见，

是一项极为重要且复杂的工作。因此，有必要采用专业化的有限元前处理工具来建立有限元模型以提高建模速度和建模质量。HyperMesh的主要功能体现在可以通过一系列处理过程把几何模型转化为高质量的有限元模型，为准确高效的有限元分析打下基础。将在UG中构造的齿轮轴几何简化模型通过UG与HyperMesh的专用接口导入到HyperMesh中，指定单元密度，划分网格。

由于结构的固有频率和振型主要取决于质量的分布和刚度分布，所以模态分析时取较均匀的网格形网格不用划得很密，以减少质量矩阵和刚度矩阵式，

计算时的数值计算误差。

在本分析过程中单元类型选取四面体单元SOL-ID92。SOLID92单元有10个节点定义，每个节点有3Y、Z方向的平动。在该有个自由度：沿节点坐标系X、限元模型中，总共有节点22312，单元11156个。齿轮轴有限元模型如图2所示。其中，材料参数为：弹性模

33

量E=210GPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．8×10kg/m。

求解特征值方程式（2）就可以得到w和｛q｝，即系

统的固有频率和主振型。

3基于UG的齿轮轴几何模型的建立

建立几何模型是建立有限元模型的前提，是进行有限元分析的基础和重要步骤。鉴于HyperMesh和ANSYS软件的建模功能都比较薄弱，本文选用UG软件作为实体几何建模工具，建立齿轮轴的几何模型，如图1a所示。

为了减小网格划分难度和降低对计算机硬件的要求，在不影响计算结果正确性和结构动态特性的原则下，根据齿轮轴结构形状的特点，参考其他学者在

［4-7］，对齿轮轴体的倒角、键槽一些模态计算中的经验

等特征进行简化处理，同时将齿轮简化为直径为分度

图2齿轮轴有限元模型

5基于ANSYS的齿轮轴模态分析

将在HyperMesh中得到的齿轮轴有限元模型通过

HyperMesh与ANSYS的专业接口导入到ANSYS中，定义分析类型为模态分析，在分析选项设置中确定要分析的模态数目及所采用的模态分析方法，添加约

图1

齿轮轴几何模型和几何模型简化图

束，利用ANSYS求解并扩展模态。

ANSYS提供了如下7种模态提取方法：Block

72

HyperMesh和ANSYS的齿轮轴模态分析舒彪，等：采用UG、2012年第2期

Lancozos法、PowerDynamics法、子空间法、缩减法、非

对称法、阻尼法和QR阻尼法。综合分析各种提取方法的特点

，本文采用BlockLancozos法求解齿轮轴模型的固有频率和振型。

由于齿轮轴在实际工作中并非处于自由状态，而是装在机体内，处于约束状态。因此，根据齿轮轴的实际工作状态，对图1b所示的面A添加径向及轴向

对面B添加径向自由度约束。在理论与自由度约束，

实践中均发现，结构的低阶模态对结构的振动影响较

在进行结构模态分析时，常常只需要知道前几阶大，

固有频率和振型，而不必求出全部固有频率和振型。因此在本次计算中只提取了齿轮轴的前9阶模态。

［8］

6结果分析

从模态频率可以看出，第1阶模态的频率接近于

0，即所谓的刚体模态。因此真正意义上的模态应该是从第2阶开始的模态。表1所示为齿轮轴前9阶非

4、5阶非零零模态频率和振型描述，图3所示为第1、模态振型图。

表1

阶数1234567

齿轮轴前9阶非零模态频率和振型描述

固有频率/Hz323．80324．161405．21407．01453．11471．82139．72144．12949．6

振型描述

平面XOZ与YOZ内1阶弯曲振动平面XOZ与YOZ内1阶弯曲振动平面YOZ内1阶弯曲振动平面YOZ内1阶弯曲振动Z向振动Z向振动

平面XOZ内2阶弯曲振动平面XOZ内2阶弯曲振动Z向振动

图34、5阶非零模态振型图第1、

为验证有限元模态分析结果的正确性，对该齿轮

轴进行了约束状态下的模态试验，齿轮轴模态分析测试系统示意图如图4所示。试验设备包括激振器、加速度传感器、电荷放大器、数据采集器和ME'scope模态分析软件。

将齿轮轴当作一个系统，激振器产生一个已知频率的信号施加在该系统上，加速度传感器测量出其响应信号并将信号传递给数据采集器，然后传递给计算机，最后利用ME'scope模态分析软件根据输入、输出信号，识别系统的模态参数。本试验用锤击脉冲激励作为输入信号，由于施加激振力的方向受限，加之约束的影响，在此仅测试齿轮轴的第1阶固有频率。

试验结果与计算结果比较如表2所示，从表2中可以看出，固有频率相对误差绝对值在10%之内。比

图4齿轮轴模态分析测试系统示意

较结果表明有限元计算结果与试验结果很接近，证明了所建立的有限元模型很好地反映了实际结构的振

动特性以及有限元结构模态分析的准确性。

表2齿轮轴第1阶固有频率试验结果与有限元计算结果比较

频率第1阶固有频率

试验结果/Hz有限元计算结果/Hz

351．5323．8

比值

1．08

尽管如此，有限元结构模态计算结果与试验分析结果仍存在一定的误差，原因如下。

（下转第121页）

73

李晓峰，等：摄影测量中环状编码点的检测方法2012年第2期

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105个环状编码点实现准确解码。

4结语

本文分析环状编码点在摄影测量中的作用，提出

一种能对这种特定编码点进行识别和解码的方法，并用实验验证这种解码方法能够解决环状编码点的定位和解码问题，为摄影测量中图像二维向现实三维转换过程中标志点的匹配奠定基础。

参考文献：［1］王之卓.摄影测量原理［M］.武汉：武汉大学出版

2007．社，

作者简介：李晓峰，工程师，本科，主要研究工作是精密机械设计、机器

视觉、三维重构等。

E-mail：lxf@ustc．edu.cn11-07收稿日期：2011-

（上接第73页）

1）利用有限元法在建立齿轮轴模型时对齿轮轴体的倒角、键槽等特征进行简化处理。

2）把无限多个自由度的连续振动系统离散为有存在误差。限自由度的离散振动系统，

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7结语

1）将UG、HyperMesh、ANSYS软件相结合，对齿轮

轴进行了几何建模、有限元建模以及模态分析。这种在有限元分析的各阶段分别采用不同软件的方法可以综合运用不同软件的优点，克服了单一软件在建模速度、单元质量和求解等方面的不足，大大减少了有限元分析的工作量，提高了CAE分析的效率。该方法具有一定的通用性，也可应用于其他结构的有限元分析中。

2）用ANSYS有限元方法对曲轴进行模态分析，4、5阶非并运用BlockLancozos提取了齿轮轴的第1、

刚体固有频率和振型，同时，对齿轮轴进行了约束状态下的模态试验，验证了有限元模态分析方法的正确性。这为齿轮轴的正确合理设计，解决结构上出现的动态性能缺陷问题提供了理论依据。

参考文献：

［1］朱凯．UGNX5中文版机械设计［M］．北京：人民邮电出

作者简介：舒彪，硕士研究生，研究方向：制造执行系统，制造装备数字

化设计等。

喻道远，教授，研究方向：制造执行系统，装备数字化设计，机CAPP等。械加工自动化，

王灯，硕士研究生，研究方向：制造装备数字化设计，机械加工自动化等。

张三强，博士研究生，研究方向：制造执行系统、车间优化。

E-mail：shubiao2002@163．com05-23收稿日期：2011-

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