【正文】 在對(duì)過(guò)渡圓角進(jìn)行重新面網(wǎng)格劃分的同時(shí)，原體網(wǎng)格被刪除。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格（稱為畸形網(wǎng)格）時(shí)，計(jì)算過(guò)程將無(wú)法進(jìn)行。花鍵槽的六面體網(wǎng)格生成。 然后 建立過(guò)渡圓角與花鍵槽之間的交面 ， 但從圖 ，大圓角的內(nèi)外圓 角半徑不一致，故圓角邊線不在一個(gè)水平面上。 一個(gè)完整的花鍵轂體網(wǎng)格的生成，在分布掃略的基礎(chǔ)上，選擇同一個(gè)原始面，分別向上、向下拉伸。因此，在花鍵轂與圓角間要建立一個(gè)中間體系，使兩者相關(guān)，即能夠保證模型體網(wǎng)格的整體性。在 ANSA中， GLIDE準(zhǔn)則即是 拖拉、掃略 式的 網(wǎng)格劃分 法。為保證圓孔與圓盤兩邊線間的網(wǎng)格質(zhì)量，需要單獨(dú)劃分圓孔與兩邊線間的連接面（圖 ），設(shè)置劃分線上的單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1。故將模型初步分成五個(gè)部分，如圖 所示，每種顏色代表 一個(gè)部分。 (3) 拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 對(duì)于由面經(jīng)過(guò)拖拉、旋轉(zhuǎn)、偏移等方式生成的復(fù)雜三維實(shí)體而言，可先在原始面上生成殼單元 形式的面網(wǎng)格，然后在生成體的同時(shí)自動(dòng)形成三維實(shí)體網(wǎng)格 ，這種方式 形成的單元幾乎都是六面體單元 ，同時(shí)也有五面體單元 。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 44 圖 結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)化及幾何清理后的有限元模型 離合器齒轂的有限元網(wǎng)格劃分 有限元網(wǎng)格劃分的基本方法 (1) 自由網(wǎng)格劃分 自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上（平面、曲面）可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 43 簡(jiǎn)化 模型可取的辦法 就 是回到 CAD 系統(tǒng)中按照分析的要求修改模型。該面建立完成后，選擇修補(bǔ)間隙的指令，完成此處模型的清理工作。由圖 ， (a)圖描述了整個(gè)模型中出現(xiàn)間隙最典型的一類情況，當(dāng)“ 隱形面”被刪除后，建立新面的邊界線消失了，故需重新作一條線建立新面。因此，在系統(tǒng)讀入 CAD文件前，選擇適當(dāng)?shù)恼`差值是極其必須考量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)入后的模型直接影響模型清理與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的工作量與難度。當(dāng)誤差值過(guò)大時(shí)，模型會(huì)出現(xiàn)壞面，圖 已經(jīng)充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)。 誤差值的選擇取決于模型的需要，若模型出現(xiàn)細(xì)小特征時(shí)，盡量選擇較小的誤差值。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，程序需要解決好幾何圖形（曲線與曲面的空間位置）和拓?fù)潢P(guān)系（ 相鄰面的連接關(guān)系 ）兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 ， 其中幾何圖形的傳遞相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而圖形間的拓?fù)潢P(guān)系容易出現(xiàn)傳遞失敗的情況。 (4) 有限元軟件系統(tǒng)的編程誤差。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格（ 稱為畸形網(wǎng)格）時(shí)，計(jì)算過(guò)程將無(wú)法進(jìn)行。 (4) 網(wǎng)格質(zhì)量 網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。除此以外，在分析結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題的網(wǎng)格需要比分析應(yīng)力問(wèn)題的網(wǎng)格粗；分析 模態(tài)問(wèn)題 的網(wǎng)格需要比動(dòng)力相應(yīng)問(wèn)題的網(wǎng)格粗；對(duì)于面和體元素，應(yīng)合理調(diào)整單元的形狀，使之外形上盡量靠近正多邊形及正多面體。如果需要計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對(duì)較多的網(wǎng)格。 幾何簡(jiǎn)化方面，主要是修改或者去除幾何結(jié)構(gòu)中不太重要的短邊、小曲面、小倒角、小圓角，以及其他影響網(wǎng)格分布但對(duì)分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)格生成器能夠成功的劃分出有限元網(wǎng)格，同時(shí)也可以避免非重要部位的局部網(wǎng)格過(guò)細(xì)致使計(jì)算經(jīng)濟(jì)性不高。所謂結(jié)構(gòu)靜力分析是指分析由于穩(wěn)態(tài)外載荷所引起的系統(tǒng)或零部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變合作用力，很適合求解慣性及阻尼的時(shí)間相關(guān)作用對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的 影響并不顯著的問(wèn)題，其中穩(wěn)態(tài)載荷主要包括外部施加的力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力，如重力和旋轉(zhuǎn)速度、施加位移、溫度和熱量等。 許多有限元軟件不僅提供了與主流 CAD系統(tǒng)的接口，自己本身也有很好的實(shí)體建模性能。一般來(lái)說(shuō)，集合所依據(jù)的理由是要求所有相臨的單元在公共結(jié)點(diǎn)處的位移相等。其原因是因?yàn)槎囗?xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算 （ 微分和積分 ） 比較方便，并且由于光滑函數(shù)的局部，都可以用多項(xiàng)式逼近，至于多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和階次的選擇，則要考慮單元的自由度和解的收斂性要求，一 般來(lái)說(shuō)，多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元自由度數(shù)，它的階次應(yīng)包括常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)等。 (4) 有限元 計(jì)算在正確建模的基礎(chǔ)上，不僅可以得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，而且目前通用的有限元分析軟件還可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布狀況進(jìn)行可視化觀察。在此基礎(chǔ)上，選擇位移模式，通過(guò)力學(xué)原理，如虛功原理、變 分原理等，確定單元節(jié)點(diǎn)作用力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，將所有單元按照節(jié)點(diǎn)位移連續(xù)和節(jié)點(diǎn)作用力平衡的原理進(jìn)行集總，得到整個(gè)系統(tǒng)的平衡方程組，引入邊界條件和約束后，就可以求解系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)位移，隨即完成對(duì)系統(tǒng)總的求解問(wèn)題。這種方法由于太多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，將導(dǎo)致求解不準(zhǔn)確乃至得出錯(cuò)誤的答案。 (6) 須用較好的材料、圓齒根花 鍵，提高強(qiáng)度裕度。對(duì)于矩形花鍵，在有些傳動(dòng)中也很必要。當(dāng)花鍵副回轉(zhuǎn)時(shí)，各鍵齒兩側(cè)面所受載荷的大小按圖 周期性變化。如轎車和微型汽車的變速器各檔軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)各附件傳動(dòng)軸、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)等。 2) 漸開(kāi)線花鍵滾刀齒形為直線，制造容易。漸開(kāi)線花鍵加工一般采用齒輪加工機(jī)床（滾齒機(jī)、插齒機(jī)、磨齒機(jī)等）或?qū)Ｓ没ㄦI磨床，機(jī)床精度高。 (7) 適用于多齒數(shù)或大直徑和盤式聯(lián)結(jié)。 (4) 強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)。 (2) 齒面接觸好。 本 課題 所研究的離合器齒轂 為 漸開(kāi)線花鍵， 故了解矩形花鍵與漸開(kāi)線花鍵的各自特性的區(qū)別是極其必要的前提。于是前排太陽(yáng)輪與第一軸脫離傳動(dòng)關(guān)系。環(huán)形主動(dòng)片 10 以內(nèi)花鍵與花鍵轂 3 的外花鍵連接，并可軸向移動(dòng)?？刂茩C(jī)構(gòu) 根據(jù) 汽車不同地行駛條件，分別在上述各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中建立或卸除油壓，從而得到變速器的不同工作檔位。有限元法解決了過(guò)去對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu) 進(jìn)行 精確計(jì)算的困難，改變了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，因而逐步得到了應(yīng)用。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 1 摘 要 根據(jù) 上海 交運(yùn) 汽車 動(dòng)力 系統(tǒng) 有限公司所開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品 — 離合器齒轂 ，本文首先介紹了離合器齒轂的功用與結(jié)構(gòu)； 結(jié)合 有限元法 理論基礎(chǔ) ， 簡(jiǎn)述了有限元模型的構(gòu)建原則和網(wǎng)格 生成原則 ， 總結(jié)了 有限元分析的誤差影響因素； 利用 CAD 軟件 Unigraphics 建 立 離合器齒轂 三維幾何模型 ； 其次 應(yīng)用 CAE 前處理 軟件 ANSA 對(duì)幾何模型進(jìn)行幾何清理，劃分高質(zhì)量網(wǎng)格； 最后 通過(guò) INDEED、 ABAQUS 兩大 著名 有限元軟件 求解器，基于其不同的計(jì)算優(yōu)勢(shì)制定相應(yīng)的計(jì)算方案 ； INDEED 通過(guò)建立外花鍵軸，模擬離合器齒轂中央的內(nèi)花鍵與外花鍵 相 聯(lián)結(jié)的工況，將扭矩真實(shí)地施加到內(nèi)花鍵上，得到數(shù)值仿真的計(jì)算結(jié)果； 而 ABAQUS 則固定離合器齒轂 花鍵槽 ，通過(guò)加載于齒轂內(nèi)花鍵的工作面上，等效外花鍵軸對(duì)齒轂施加扭矩的情況 ； 兩大有限元軟件 分別 對(duì)離合器齒轂進(jìn)行 了 結(jié)構(gòu)有限元分析， 同時(shí) 確保了計(jì)算結(jié)果的 一致性； 本文 根據(jù) 有限元分析數(shù)據(jù)結(jié)果，得出研究對(duì)象的應(yīng)力與變形趨勢(shì)的結(jié)論 ，并且 就其強(qiáng)度薄弱處， 提出了加強(qiáng)離合器齒轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的 改進(jìn)方法。 把有限元法運(yùn)用在汽車設(shè)計(jì)中，對(duì)企業(yè)提高產(chǎn) 品 質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成 本 具有積極的作用。 圖 CA7560型轎車自動(dòng)變速器所采用的直接檔離合器。從動(dòng)片 9 的外邊緣有八個(gè)漸開(kāi)線形鍵齒與低檔制動(dòng)鼓 1 內(nèi)相 應(yīng)的鍵槽配合，也可作軸向移動(dòng)。 總之，直 接檔離合器只有在掛直接檔時(shí)才接合，其它情況下均處于分離狀態(tài)。 有關(guān)花鍵術(shù)語(yǔ)見(jiàn)附錄 1。由于鍵齒的齒形為漸開(kāi)線，故鍵側(cè)的法向間隙相等，受力后沿全工作齒高接觸，而矩形花鍵受力后，沿齒高是齒頂接觸、齒根上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 9 有間隙，沿工作齒高線接觸。由于漸開(kāi)線花鍵齒面接觸好，工作齒數(shù)多，接觸應(yīng)力?。黄潺X根厚、齒頂薄、齒根圓弧大，應(yīng)力集中小，彎曲強(qiáng)度高；啟動(dòng)時(shí)承載能力好，所以漸開(kāi)線花鍵抗彎曲、耐磨損，承載能力高，壽命長(zhǎng)。由于漸開(kāi)線花鍵的設(shè)計(jì)和加工不受齒數(shù)限制，其 強(qiáng) 度主要 與 分度圓直徑有關(guān)，與模數(shù)大小關(guān)系不大（花鍵長(zhǎng)度相同、精度相同時(shí)）。采用的滾齒刀齒形為直線，插齒刀或拉刀齒形為漸開(kāi)線，容易獲得高精度。 3) 漸開(kāi)線拉刀齒頂尖、齒根厚、強(qiáng)度高、剛性好、可制成 較 大的前角、后 角、刀刃鋒利、壽命長(zhǎng)。 盡管漸開(kāi)線花鍵聯(lián) 結(jié) 在眾多方面都優(yōu)于矩形花鍵，但是它也存在一些不足之處。此時(shí)，花鍵副容易磨損。以下是針對(duì)花鍵失效原因，通過(guò)生產(chǎn)和使用實(shí)踐總結(jié)出的提高花鍵承載能力的有效措施。 (7) 鍵齒表面采用磨削加工，提高表面粗糙度質(zhì)量和花鍵精度。另一種方法是盡可能保留問(wèn)題的各種實(shí)際工況，尋求近似的數(shù)值解。在同一有限元計(jì)算模型中，盡量避免出現(xiàn)剛度過(guò)分懸殊的單元，包括剛度很大的邊界元、相鄰單元相差很大等；同時(shí)采用較密的網(wǎng)格劃分和較好的單元形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，從而減小離散帶來(lái)的誤差。 [7,19,23] 概括起來(lái)可以分為以下六個(gè)步驟： (1) 結(jié)構(gòu)的離散化 結(jié)構(gòu)的離散化是有限單元法分析的第一步，它是有限單元法的 基本 概念。單元的自由度是指單元節(jié)點(diǎn)獨(dú)立位移的個(gè)數(shù)。于是得到以整體剛度矩陣 ??K 、載荷列陣 ??F 以及整個(gè)物體的結(jié)點(diǎn)位移列陣 ???表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程 ： ? ? ? ?? ?FK?? ? ?? ????????????????????????? () 這些方程還應(yīng)考慮幾何邊界條件作適當(dāng)?shù)男薷闹螅拍軌蚪獬鏊械奈粗Y(jié)點(diǎn)位移。 有限元軟件都提供了一種以上的網(wǎng)格劃分方法，以供使用者根據(jù)計(jì)算要求進(jìn)行選擇，從軟件的角度看，這是分析中最重要的環(huán)節(jié)。靜力分析可分為線性靜力分析和非線性靜力分析。 網(wǎng)格生成原則 劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。 (2) 網(wǎng)格疏密 網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小 不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)結(jié)構(gòu)上不同應(yīng)力分布特點(diǎn) （ 圖 ） 。 圖 粗細(xì)不等的網(wǎng)格模型 (3) 單元階 次 許多單元都具有線性二次和三次形式，二次以上形式的單元稱為高階單元。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。 (5) 網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn) 結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點(diǎn)。 3 離合器齒轂的有限元 分析前處理 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算 。 如圖 中， (a)圖為通過(guò) Unigraphics 軟件建立的幾何模型， (b)圖 為用 ANSYS 軟件導(dǎo)入后的有限元模型， 從 圖中可見(jiàn)模型出現(xiàn)了許多多余的面，這給模型清理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化增加了一些工作量。本文研究的離合器齒轂最中央的花鍵齒槽寬僅約 1mm，并且是整個(gè)模型中至關(guān)重要的細(xì)節(jié)。但如果設(shè)定誤差值過(guò)小，模型將會(huì)產(chǎn)生間隙。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 36 (a) (b) 圖 基 于中間誤差等級(jí)的花鍵有限元 幾何 模型及間隙分布 圖 基于最小誤差等級(jí)導(dǎo)入后的離合器齒轂 幾何 模型 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 37 離合器齒轂 幾何 模型的清理 在此模型中，所謂的模型清理工作就是處理間隙問(wèn)題。建完面后如圖(a)所示，由于間隙尺寸較小且存在基面（圖 (a)中陰影部分），即間隙面與陰影面基于同一平面，此時(shí)只需利用 ANSA中的 TOPO指令，框選需要修補(bǔ)的地方，此面的修復(fù) 便 完成（圖 (b)圖）。 (a)刪除“隱性面”前 (b) 刪除“隱性面”后 圖 刪除“隱性面”后第二類典型間隙處的變化 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 41 圖 與藍(lán)線有關(guān)的可刪除的所有面 圖 刪除第一個(gè)面后的圖片 雖然恢復(fù)了“隱形面”，但該面仍不可見(jiàn)，且面的邊界線成紅色（圖(a)圖 ） 。一方面檢查模型的完整性，另一方面剔除對(duì)分析無(wú)用的細(xì)節(jié)特征。通常情況 下，對(duì)于復(fù)雜幾何模型而言，這種 網(wǎng)格劃分 方法省時(shí)省力，但缺點(diǎn)是單元數(shù)量通常會(huì)很大，計(jì)算效率降低。通常，采用掃略方式形成網(wǎng)格是一種非常好的方式，對(duì)于復(fù)雜幾何實(shí)體，經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的切分處理，就可以自動(dòng)形成規(guī)整的六面體網(wǎng)格，它比映射網(wǎng)格劃分方式具有更大的優(yōu)勢(shì)和靈活性。 圖 網(wǎng)格劃分前的模型分解 離合器齒轂體網(wǎng)格的生成 無(wú)論是對(duì)于面或體的網(wǎng)格劃分，為保證模型的整體性，必須確保每個(gè)面單元或體單元節(jié)點(diǎn)之間的連接，即保持兩個(gè)不同面單元或體單元在連接線或面上的一致性，網(wǎng)格之間不能發(fā)生錯(cuò)位，否則在進(jìn)行有限元分析時(shí)，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)為兩個(gè)不同的面或體，對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生極大的影響，這也就是上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） UG離合器齒轂 的 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)分析 47 實(shí)現(xiàn)映射網(wǎng)格劃分法中