【正文】 其中粉色 網(wǎng)格表 示質(zhì)量不理想的面網(wǎng)格， 紅色 表示預(yù)計(jì)生成的體網(wǎng)格 中 質(zhì)量不理想的單元。 ANSA 中的 RECONS 功能是用來幫助提高面網(wǎng)格劃分質(zhì)量的。 通過 ANSA 中 EXTREME 的功能分離出具有較差單元質(zhì)量的體，而從圖 中可見， 91 個(gè)較差質(zhì)量的單元體全部分布在過渡大圓角處。 特別是 在重點(diǎn)研究的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使只有個(gè)別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會(huì)引起很大的局部誤差。 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 57 (a) 未 進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 (b) 進(jìn)行 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 圖 比較結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化前后生成的花鍵槽體網(wǎng)格 但對(duì)于映射網(wǎng)格劃分法來說，其選擇的依據(jù)是主從面，與引導(dǎo)面，所以對(duì)于模型的簡(jiǎn)化，與各個(gè)面的網(wǎng)格劃分都是必須的前提。從圖 ，在過渡大圓角的 13951個(gè)體單元中，四面體占據(jù)了 70%。 圖 過渡圓角的不規(guī)整 圖 建立過渡圓角與花鍵槽的交面 當(dāng)兩個(gè)交面建立完成以后，要對(duì)過渡圓角進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)仍上海工程技術(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 55 然采用 MAP原則，使平面上出現(xiàn)更多的四邊形。在對(duì)圓盤的掃略網(wǎng)格劃分中，已經(jīng)建立了過渡大圓角與圓盤的交面，但該交面還未 完成 面網(wǎng)格劃分。生成后的體網(wǎng)格見圖 。 原始面的面網(wǎng)格生成后，為避免體網(wǎng)格錯(cuò)位的現(xiàn)象，同樣應(yīng)當(dāng)選擇生上海工程技術(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 53 成圓盤體網(wǎng)格的掃略線，掃略層仍設(shè)置為 2，實(shí)現(xiàn)下半部花鍵轂的體網(wǎng)格劃分。故應(yīng)以圓角處邊線 作 為界線，將花鍵轂分成上下兩體。 圖 花鍵轂圓角處 圖 圓角處體網(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 52 由于圓角處的存在，花鍵轂無法作為一個(gè)整體生成體網(wǎng)格，否則可能會(huì)造成體網(wǎng)格的錯(cuò)位。 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 50 圖 掃略線的建立 圖 圓盤體網(wǎng)格 模型花鍵轂（圖 ）的圓角處（圖 ） 是銜接花鍵 筒 與上海工程技術(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 51 圓盤的關(guān)鍵 部分 ，為保證體單元節(jié)點(diǎn)的連接性，應(yīng)首先 生成圓角處的體網(wǎng)格。如圖 ，建立上下兩圓盤間的面，面的法線方向可以任意。利用 MAP準(zhǔn)則生成面網(wǎng)格（圖） 圓孔與圓盤兩邊線建立連接面 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 49 圖 圓盤的面網(wǎng)格 原始面與掃略線為 拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 法中的兩大基本要素。但考慮到此圓盤和與之銜接的帶圓孔的圓盤厚度一致，故不必事先單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格掃略。針對(duì)花鍵轂（紅色部分）與圓盤（白色部分）結(jié)構(gòu)上的規(guī)整性，適合采用 映射網(wǎng)格劃分 法與拖拉、掃略網(wǎng)格劃分 法，且為保證良好的網(wǎng)格質(zhì) 量，故有必要將花鍵節(jié)點(diǎn)的分布投影到各對(duì)邊線上（圖 ） 。 離合器齒轂 模型的分解 離合器齒轂?zāi)Ｐ捅容^復(fù)雜，故選用混合網(wǎng)格劃分法最為適合。 (4) 混合網(wǎng)格劃分 混合網(wǎng)格劃分即在幾何模型上，根據(jù)各部位的特點(diǎn)，分別采用自由、映射、掃略等多種網(wǎng)格劃分方式，以形成綜合效果盡量好的有限元模型。 對(duì)于三維復(fù)雜幾何模型而言，通常的做法 就是 將其切割成一系列四、五或六面體，然后對(duì)這些切割好的體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。同時(shí)，由于這種方法對(duì)于三維復(fù)雜模型只能生成四面體單元， 計(jì)算精度不高。 (2) 忽略整體模型中倒角、圓角、小的臺(tái)階及小孔等影響網(wǎng)格質(zhì)量，且對(duì)應(yīng)力分析影響不大的細(xì)節(jié)。但 在很多情況下，這種 “ 回歸 ” 很難實(shí)現(xiàn)，模型的改造只有依靠 CAE 軟件自身。在很多情況下，導(dǎo)入CAE 程序的模型可能包含許多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如細(xì)小的孔、狹窄的槽，甚至是建模過程中形成的小曲面等。這是因?yàn)?ANSA恢復(fù)面后并不承認(rèn)與相鄰面存在相交關(guān)系，紅上海工程技術(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 42 線代表此處出現(xiàn)了極其微小的裂縫，只需對(duì)該區(qū)域執(zhí)行 TOPO指令進(jìn)行修補(bǔ)即得到黃色線段。刪除后如圖 ，面的界線隨之被刪除，由于無法確定界線的具體位置，故不能 重新 作線建面。 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 39 (a) (b) (c) 刪除“隱性面”后第一類典型間隙處的變化 (a) (b) 第一類典型間隙處的修復(fù) 修復(fù)第二類典型的間隙 圖 ，顯然它較之第一類情況復(fù)雜些許。理論與實(shí)際的結(jié)果出現(xiàn)了異同也許是由于 CAD文件導(dǎo)入 ANSA后引起的，故對(duì)于理論上存在卻實(shí)際上不可見的“隱形面”必須進(jìn)行修改，否則會(huì)影響網(wǎng)格劃分的結(jié)果。修補(bǔ)間隙作為ANSA軟件中一個(gè)強(qiáng)大的功能，幫助用戶非常便捷地完成清理工作。但考慮到清理模型的工作量，最后決定采用基于最小誤差等級(jí)導(dǎo)入后的離合器齒轂 幾何 模型（圖 ） 。圖 主要描述了基于最小誤差等級(jí)導(dǎo)入后的離合器齒轂 幾何 模型中出現(xiàn)的間隙情況。在 ANSA 軟件中，通常判斷一個(gè)封閉型模型的完整性以所有面面交線為黃線作為標(biāo)準(zhǔn)，而圖中沒有出現(xiàn)紅色或藍(lán)色線段，這表示沒有發(fā)生面多余或面丟失的現(xiàn)象，由此看來，花鍵模型被非常完整地導(dǎo)入到了 ANSA 中。圖 為選擇較大誤 差值，導(dǎo)入 CAD 文件后花鍵的 幾何 模型圖片 。 離合器齒轂幾何模型的導(dǎo)入 在 ANSA軟件中，所謂導(dǎo)入前的“拓?fù)洳僮鳌北硎?在系統(tǒng)讀入 CAD 數(shù)據(jù)之前，用戶對(duì)拓?fù)滹@示（相鄰面的連續(xù)性）和分辨率（幾何實(shí)體的顯示）進(jìn)行設(shè)定。 (a) UG 軟件中的幾何模型 (b)導(dǎo)入 ANSYS 軟件 后的 幾何 模型 比較離合器齒轂 在 UG 軟件和 導(dǎo)入 ANSYS 軟件 后的 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 32 目前數(shù)據(jù)傳遞一般可通過專用數(shù)據(jù)接口， CAE程序可與 CAD程序 “交流 ”后生成與 CAE程序兼容的數(shù)據(jù)格式。 現(xiàn)在 CAD 軟件對(duì)表面形態(tài)的表示法已經(jīng)大大超過了 CAE 軟件，因此，在將 CAD 實(shí)體模型導(dǎo)入 CAE 軟件的過程中， 可能會(huì)出現(xiàn) 模型變形，數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。雖然通用有限元軟件的計(jì)算功能強(qiáng)大，幫助客戶解決許多工程實(shí)際問題， 然而它們的 建模功能都不是很強(qiáng)，尤其是在面對(duì)包含復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)出明顯的不足，同時(shí)不利于建立后續(xù)的單元網(wǎng)格劃分模型。 (2) 理論模型有限元離散近似誤差，其中包括低維模型近似、邊界條件近似、載荷條件近似和幾何形狀近似 等引起的誤差，以及幾何方程、物理方程、平衡方程等近似產(chǎn)生的誤差。以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。在重點(diǎn)研究的結(jié)構(gòu)關(guān) 鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使只有個(gè)別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會(huì)引起很大的局部誤差。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。選用 高階單元 可提高計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時(shí)可以選用上海工程技術(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 29 高階單元。采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。網(wǎng)格劃分的不當(dāng)，可能會(huì)引起比較壞的結(jié)果，所以網(wǎng)格的選擇一定要根據(jù)力學(xué)性能進(jìn)行合理的剖分。 在決定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。為建立正確、合理的有限元模型這里介紹劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮的一些基本 原則： (1) 網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。 有限元模型在幾何上逼近原結(jié)構(gòu)，即選取的有限元網(wǎng)格應(yīng)盡可能的與原結(jié)構(gòu)相一致；但事實(shí)上的不一致性，導(dǎo)致有限元在模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，幾何上引入了近似。 所謂建模就是根據(jù)工程分析精度的要求，建立合適的能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。我們?cè)诮⒂邢拊獢?shù)值仿真模型時(shí)，應(yīng)該首先判斷分析對(duì)象屬于哪一類性質(zhì)的問題 —— 是線性問題還是非線性問題，是靜力問題還是動(dòng)力問題，小變形問題還是大變形大應(yīng)變問題等，從而才能正確的選擇相應(yīng)的分析方案及建模方法。計(jì)算則是在形成總剛度方程和約束處理后求解大型聯(lián)立方程組、最終得到節(jié)點(diǎn)位 移的過程。 前處理是對(duì)計(jì)算對(duì)象網(wǎng)格劃分、形成計(jì)算模型的過程，包括單元類型的選擇、材料特性的確定，實(shí)體建模，節(jié)點(diǎn)單元網(wǎng)格的確定、約束載荷的移置等。 (5) 求解未知結(jié)點(diǎn)位移 由集合起來的平衡方程組 ()解出未知位移。 (4) 集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方 程 這個(gè)集合過程包括兩方 面 的內(nèi)容；一是各個(gè)單元的剛度矩陣，集合成整個(gè)物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力列陣，集合成總的載荷列陣。 根據(jù)選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移的關(guān)系式，其矩陣形式是 ： ? ? ? ?? ?efN?? ?? ?????????????????? ??????? () 式中： ??f 為單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移列陣； ??e? 為單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣； ??N 稱為形函數(shù)矩陣，它的元素是位置坐標(biāo)的函數(shù)。 選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。所謂離散化簡(jiǎn)單的說，就是將分析的結(jié)構(gòu)物分割成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使 相鄰 單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個(gè)單元的集合體，以它代替原來的結(jié)構(gòu)。 (3) 有限元法不僅適應(yīng)于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問題。 有限元計(jì)算方法的優(yōu)越性 [11] (1) 在固體力學(xué)及其他連續(xù)體力學(xué)中，只有一些特殊的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)才能求得微分方程的解，對(duì) 于多數(shù)復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)得不到解，而有限元法對(duì)于完成這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析是一種十分有效的方法。在工程技術(shù)領(lǐng)域中，所研究的彈性連續(xù)體在載荷和其它因素下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都是變形量的函數(shù)，如果把彈性連續(xù)體看作由無限多個(gè)微元體組成，那么這就變成一個(gè)具有無限多個(gè)自由度的問題了。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法飛速發(fā)展的今天，這已經(jīng)成為較為現(xiàn)實(shí)而又非常有效的選擇。當(dāng)對(duì)這些復(fù)雜問題進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析時(shí)，往往難以 用解析方法寫出其基本方程，同時(shí)也難以確定出它們的邊界條件，更求不出解析值。 (8) 采用較小的側(cè)隙或過盈配合的花鍵副，限制摩擦磨損。 (4) 采用較高精度的花鍵（如公差等級(jí)為 4 級(jí)或 5 級(jí)）或提出單項(xiàng)公差（ F?p 、 f? 、 F?? ）要求。 (1) 采用硬齒面花鍵，齒面硬度應(yīng)為 50～ 64HRC。 圖 同時(shí)承受壓軸力 F和轉(zhuǎn)矩 T，而壓軸力占優(yōu)勢(shì)時(shí)的載荷分配 對(duì)于有誤差的漸開線花鍵副，在轉(zhuǎn)矩 T 和壓軸力 F 同時(shí)作用下，其載上海工程技術(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 17 荷分配見圖 ，偏心狀態(tài) 見圖 。 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 15 圖 只承受壓軸力 F而無轉(zhuǎn)矩 T時(shí)的內(nèi)花鍵與外花鍵的位置 圖 只承受壓軸力 F而無轉(zhuǎn)矩 T時(shí)的載荷分配 (4) 受轉(zhuǎn)矩和壓軸力兩種載荷 對(duì)無誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其承受轉(zhuǎn)矩 T和壓軸力 F兩種載荷時(shí)，內(nèi)、外花鍵的相對(duì)位置和各鍵齒所受載荷的大小和方向，決定于所受轉(zhuǎn)矩T 和壓軸力 F 的大小及兩者的比例。 圖 無載荷有間隙的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的理論 位置 (2) 受純轉(zhuǎn)矩載荷 對(duì) 無 誤差的漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，在其只傳遞轉(zhuǎn)矩 T 而無壓軸力 F 時(shí)，同側(cè)的各齒面載轉(zhuǎn)矩的作用下，彼此接觸、作用側(cè)隙相等，內(nèi)外花鍵的兩軸線仍是同軸的，見圖 所有鍵齒傳遞轉(zhuǎn)矩，承受同樣大小的載荷，見圖。例如： 在 不具備加工設(shè)備、專用刀具和檢測(cè)手段的情況下，修配困難；對(duì)于滑動(dòng)構(gòu)件，摩擦力較大；當(dāng)有較大徑向外力時(shí)，會(huì)影響定心精度。如載重汽車的傳動(dòng)軸、半軸、變速器各檔傳動(dòng)軸；航空減速器傳動(dòng)軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳軸、直升機(jī) 旋翼軸等。 由上述特點(diǎn)可見，漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的承載能力比矩形花鍵聯(lián)結(jié)高，同時(shí)也具有自動(dòng)定心、結(jié)構(gòu)緊湊、適于盤式聯(lián)結(jié)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以它幾乎應(yīng)用在各種同軸傳動(dòng)中，尤其適用于高速重載傳動(dòng)。 (10) 刀具經(jīng)濟(jì) 1) 一把滾刀（或插刀），可以加工齒數(shù)不同（直徑不同）的外花鍵。由于機(jī)床、刀具等精度高，所以加工的花鍵精度也較高。矩形花鍵因受結(jié)構(gòu)、工藝方法、刀具和加工精度等限制，不具有上述特點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)