齿轮计算软件

面齿轮传动的设计软件的开发

摘要

面齿轮与圆柱齿轮能够成传动装置，在工业领域有着广泛的应用。本文设计一种软

件，能够参数化的对面齿轮进行，建模，有限元分析和MATLAB优化，达到计算机辅

助设计的功能，用VC编辑窗口，要求实现几级菜单，多种面齿轮的力学分析（直齿、

斜齿、弧齿等）用VisualC++对系统的代码进行编写，实现了ANSYS软件与本参数化

建模与数值分析平台之间的数据传递，解决了调用程序等接口技术方面。利用ansys软

件进行建模有限元分析，通过接口，让vc调用此分析，在窗口中实现调用齿数、压力

角、模数、齿顶高系数和齿隙系数五个关键尺寸参数作为独立参数，对齿轮外形和尺寸

进行限制和设计。在利用ANSYS二次开发的功能时，对参数变化时生成齿轮的APDL

命令流文本进行调用。实现了参数化建模数据和数值分析数据的可视化处理功能。用

matlab软件进行优化分析，让vc通过接口调用此优化，力学分析中，在VisualC++对

ANSYS软件进行二次开发的环境中，通过结合软件自身的APDL语言，实现了一对齿

轮的三维实体数据、网格数据、变形数据、应力数据、应变数据和各种动力学数据可视

化并可画出相应的图形(网格划分图、变形图、应力云图等)。通过不同类型、不同大小

的齿轮模型的参数化建模，验证了本参数化建模和数值分析软件系统的有效性。通过建

立一对齿轮的参数化模型，然后网格划分和设定边界条件等，最后可根据实际传动情况

在静力学界面和模态分析界面输入了相应的约束条件和载荷扭矩条件等边界条件，对齿

轮进行了静力分析、模态分析等，分析了一对齿轮的网格划分图、变形图、应力云图和

模态振型图等，进一步验证了本软件系统的有效性。

关键词

:

面齿轮设计，Vc程序设计，有限元分析,MATLAB优化,数据分析软件

ABSTRACT

Thesurfaceandcylindricalgearcanbeatransmissiondevice,andithasawide

perdesignsakindofsoftware,canfacegear

parametricmodeling,finiteelementanalysisandoptimizationofMATLAB,computeraided

design,editingwindowwithVC,requiredtoachieveveralmenu,avarietyofmechanical

analysisoffacegear(spur,helical,beveletc.)withVisualC++onthesystemthecodewas

written,achievedbetweentheANSYSsoftwareandtheparametricmodelingandnumerical

analysisplatformfordatatransfer,

ANSYSsoftwaremodelingandfiniteelementanalysis,throughtheinterface,makeVCcalls

thisanalysis,thecallnumberofteeth,modulus,pressureangle,toothtopasindependent

parametersoffivekeyparametersofhighcoefficientandtoothgapcoefficientinthewindow,

ingthefunctionofthetwo

developmentofANSYS,theAPDLcommandstreamtextthatgeneratesthegearwhenthe

ualprocessingfunctionofparameterizedmodelingdata

zationanalysisiscarriedoutwithMATLAB

software,letVCcallthroughtheinterfacetotheoptimization,mechanicalanalysis,two

developmentenvironmentofANSYSsoftwareinVisualC++,throughacombinationof

softwareAPDLlanguage,realizedonthegear3Ddata,griddataanddeformationdata,the

stressandstraindataanddataallkindsofdynamicdatavisualizationandcandrawthe

correspondinggraphics(meshmap,deformation,strestc.).Throughparameterized

modelingofdifferenttypesanddifferentsizesofgearmodels,thevalidityofthe

pahthe

parametricmodelofagear,andthemeshingandttingofboundaryconditions,finally

accordingtotheactualsituationofthecorrespondingtransmissionconstraintsandloadtorque

ndaryconditionsinthestaticinputinterfaceandmodalanalysisofthe

gearinterface,staticanalysis,modalanalysis,meshmap,apairofgearsthedeformation,

stressnephogramandmodalvibrationmapanalysis,furthervalidationofthesoftwaresystem..

Keyword

：

Facegeardesign,Vcprogramdesign,finiteelementanalysis,MATLABoptimization,dataanalysissoftware

目录

第一章绪论......................................................................................................................4

1、1本文的研究意义和研究内容.......................................................................................4

1、2本文课题的国内外研究现状和未来发展趋势...........................................................5

1、3本文的主要内容...........................................................................................................7

第二章软件的设计框架及功能实现.....................................................................甲硝唑氯已定洗剂 ............7

2.2平台运行..........................................................................................................................9

2.2.1

运行的条件

....................................................................................................................................9

2.2.2

平台中

ANSYS

分析的步骤

............................................................................................................9

2.2.3

软件平台中与

MATLAB

调用优化

................................................................................................9

第三章基于VC的系红军长征史 统界面设计......................................................................................9

3.1

V

ISUAL

C++6.0介绍.........................................................................................................9

3.2面齿轮设计软件人机交互界面开发............................................................................10

3.2.1

用户页面设计

..............................................................................................................................10

3.2.2

用户主菜单界面

..........................................................................................................................11

3.2.3

设计过程界面

..............................................................................................................................11

3.2.4ansys

接口设计界面

.....................................................................................................................24

3.2.5MATLAB

接口设计界面

................................................................................................................25

第四章ANSYS软件进行建模有限元分析.......................................................................36

4.1ANSYS简介...................................................................................................................36

4.2ANSYS数值计算平台的选择与验证。.......................................................................37

4.3

ANSYS有限元分析的主要步骤...................................................................................37

4.4齿轮有限元分析............................................................................................................37

第五章MATLAB软件进行优化分析...............................................................................40

5.1

MATLAB软件简介.......................................................................................................41

5.2MATLAB的优化工具箱................................................................................................42

5.3调用MATLAB的优化及分析结果..............................................................................42

参考文献........................................................................................................................46

致谢...............................................................................................................................51

声明...............................................................................................................................52

第一章绪论

1、1本文的研究意义和研究内容

面齿轮设计采用人工设计方法，即以原始数据为依据，经过设计、数据检索与选取、分

析计算、绘图来完成，随着现代工业发展的要求，面临的问题是:开发周期短，从立项到

交货时间紧迫;产品质量的要求高，对振动、噪声等控制因素的要求也提高了;在满足质

量水平及使用要求的前提下控制成本，节约资金;设计过程中应用的公式、图表复杂且多，

查阅非常麻烦，且优化设计需反复进行计算，容易出错。

计算机辅助设计是二十世纪五十年代发展起来的一门新型技术科学，它可以大大提高设

计效率和水平，以成为世界新技术革命的标志之一，这一新技术的应用将科技人员的智

慧和能力得以延伸，使工程师和设计师从繁琐重复的计算和艰辛的绘图工作中解放出来，

因此计算机辅助设计己广泛应用于机械设计等各个领域。在机械设计领域中齿轮精度设

计和分析是一项经常性的工作，这是因为齿轮是机械传动中量大面广的基础零部件，在

汽车、拖拉机、农机、机床、电力、冶金、矿山、工程、起重运输、石油、化工、船舶、

机车、轻工、仪表、建工、建材以及军工等领域有着广泛的应用。在齿轮传动中除了齿

轮结构设计以外，齿轮精度设计直接关系到传动质量，而机械传动质量、性能和寿命直

接影响着机器的性能和可靠性，齿轮精度分析帮助找出影响机械传动质量、性能和八下英语人教版单词表 寿命

的因素。因而，运用计算机辅助齿轮的精度设计和分析，对于提高齿轮精度设计质量和

设计效率设非常重要的。在面齿轮设计中采用智能计算机辅助设计具有非常重要的意义。

这主要表现在以下几点:

1.提高企业的经济效益。在齿轮精度设计阶段引入齿轮精度智能系统可大大提高设

计人员的工作效率，降低设计成本;在齿轮加工阶段，借助齿轮精度智能系统合理确定齿

轮加工方法，有效的分析影响加工误差的各因素，减小废品率，保证提高产品质量;直接

获得经济效益。

2.增强企业的产品开发和设计能力。以前设计人员在齿轮精度设计中只能轮存在着

精度不合格，加工成本过高等弊病。采用齿轮精度智能系统

后设计师就可借助专家的知识来进行设计，从而提高齿轮精度设计的质量.

3.有利于实现齿轮的标准化、系列化、通用化。许多工厂反映，齿轮精度设计的国

家标准由于向国际标准靠拢，如不采用智能系统则很难贯彻。如有了相应的软件，只要

根据屏幕提示输入有关信息，就能获得符合标准要求的齿轮精度设计结果，推广起来就

比较容易。

4.提高产品设计质量，缩短产品研制周期。过去在精度设计后还要用手工绘制工作

图，且在精度设计过程中要查大量的表格，浪费了设计人员大量时间。采用齿轮精度智能系统不但可以提高设计质量，而且大大缩短了产品的设计周期，加快了齿轮的交货周

期，提高了产品的竞争能力。用一些由传统数学逐次逼近方法得到的经验公式来进行工

作。

面齿轮机构是一种新型、非标准的齿轮传动形式，现阶段主要通过非圆齿轮副和锥

齿轮副来实现这种传动形式，需要两个齿轮副传动，传动复杂，空间需求大，传动效率

不高。而后出现了非圆锥齿轮副，可以替代上述传动形式。本课题在对非圆锥齿轮副研

究的基础上，进一步提出正交变传动比端曲面齿轮(后文均简称端曲面齿轮)的加工方法。

端曲面齿轮副由一个非圆柱齿轮和一个端曲面齿轮组成，能传递相交轴之间的变传动比

运动和动力。端曲面齿轮副在运动学上，结合了非圆齿轮、非圆锥齿轮副和面齿轮三者

的特点，相比非圆锥齿轮具有轻量化的特点，同时其设计原理，加工方法等更为简单，

可以利用现有机床与刀具进行加工，易实现批量生产，其在军工、农业机械、纺织机械、

汽车等领域，具有潜在的应用价值。随着对端曲面齿轮副研究的深入，这种新型的齿轮

传动形式必然会在更多的场合得到应用，这就要求建立一套完整的端曲面齿轮加工方法。

端曲面齿轮相对于常规面齿轮几何复杂，加工制造中的机床调整直接影响其传动啮合质

量。在实际生产中，由于其切齿计算控制参数多，不易操作，所以切齿结果很大程度取

决于设计者和操作者的经验与技术水平。通常为了得到理想的齿面接触印迹，在齿轮加

工过程中，要进行多次试切、接触区的检验并由此获得相应的切齿机床调整参数对机床

进行调整，这样齿轮加工过程不仅花费很长的时间，同时也造成原材料的浪费，使得加

工成本升高、加工效率降低。因此，在端曲面齿轮加工原理的基础上，建立一套端曲面

齿轮的加工方法，提高加工质量与加工效率以及降低成本，同时也可为后续的测量与滚

检等试验提供支持。由于端曲面齿轮齿面几何复杂，相对传统面齿轮，其加工精度较低，

要运用于实际，必须达到较高精度，这就需要对加工进行深入研究。对端曲面齿轮加工

方法的研究是验证端曲面齿轮副设计正确性的有效手段。本文从端曲面齿轮啮合理论出

发，分别用多轴数控加工方法和增材制造五轴数控混合加工方法对面齿轮进行加工，并

对加工的实体进行相关检测试验，分析制造误差，并对以上加工方法进行对比分析。对

端曲面齿轮加工方法进行研究对于提高端曲面齿轮的研究水平以及促进其推广使用具

有重要的理论意义和实践价值。

1、2本文课题的国内外研究现状和未来发展趋势

面齿轮传动是圆柱齿轮与圆锥齿轮相互啮合的齿轮传动，面齿轮是一个具有一定锥度的

锥齿轮，其锥度的大小由两传动轴之间的交角决定。根据轮齿走向的不同，面齿轮传动

可分为直齿、斜齿和弧齿三种，根据传动轴之间的相互位置，面齿轮传动可分为相交和

相错两种。早在上世纪40年代，Buckingham就在其著作中就介绍了面齿轮传动70年

后的今天，面齿轮传动主要应用于直升机主减速器传动装置的分流传动结构f2-Gl，应

用范围狭窄，其主要原因是:面齿轮设计复杂，加工精度不高，磨齿困难等。以上原因制

约了面齿轮传动的应用与发展。

美国DARPA在TRP项目中对面齿轮传动技术进行了研究，研究背景是将面齿轮传动技

术应用于新一代阿帕奇武装直升机中，研究内容包含渗碳磨削面齿轮的制造与试验研究。

口本佐贺大学在面齿轮滚齿加工方面研究出一种少齿数的大螺旋滚齿刀加工面齿轮的

方法。美国加工和处理中心在同一方向上改进了滚刀，可加工小齿面齿轮、增加齿面精

度。波兹南科技大学对面齿轮的铣削加工方法做了研究。

Litvin研究团队对面齿轮的研究做出了重要的贡献。首先Litvin团队对面齿轮传动从几

何设计方面作了研究。研究的主要对象是直齿面齿轮和斜齿面齿轮，研究的内容包括了

面齿轮的加工，齿面生成，面齿轮根切和齿顶交尖条件的判定，并且发展了面齿轮传动

点接触理论，对面齿轮应用于实际起到了重要作用。Litvin团队通过对面齿轮点接触和

齿面的修形实现了限制传动误差、减小噪音和振动的目的。

我国对面齿轮研究起步较晚，尤其是面齿轮加工方面。近几年，西北工业大学开始对面

齿轮传动进行研究，分别在直齿面齿轮的几何设计和啮合仿真、斜齿面齿轮的设计以及

接触分析、承载能力分析、动力学分析等方向取得了一定的成果。面齿轮的加工方面，

河南工业大学等在数控铣削方面做了研究;南京航空航天大学、西北工业大学、中南大学

等在面齿轮的磨齿方面进行了研究，特别是南京航空航天大学在面齿轮磨削方面研究了

蜗杆磨削面齿轮的方法;南京航空航天大学、西北工业大学、重庆大学等在面齿轮的插齿

加工方面做了研究。

增材制造被誉为颠覆传统加工技术的一项新技术，使其成为制造业的研究热点之一，国

内外许多学者对其进行了研究。如JamesWSears对SLM和EBM两种方法进行了对比

研究。:等对铜，钦6AL-4V合金，镍基超合金，钻基超合金和17-4PH

不锈钢等材料在SLM和EBM中的预合金化和雾化前体粉末进行了研究。等针对

增材制造的基本材料和工艺进行了研究。和RonDavidW.对增材制造的蜂窝

结构设计做了研究。Strano,G等在齿轮精度设计中采用传统的设计模式，使技术人员难

于进行合理的精度设计及分析。由于精度评定的指标多，有大量的表格查找、数值计算

及工作图的绘制等，造成设计效果差、效率低下。另外，由于齿轮精度设计中牵涉到检

验指标的选择等问题，广大技术人员迫切需要一套齿轮精度分析与设计的智能系统。

应用CAD技术实现设计自动化是研究人员、设计人员追求的目标，而智能设计技术将

在更高的创造性思维活动层次上给予设计人员有效的辅助，是真正意义上的计算机辅助

设计，智能CAD技术是以技术与人工智能技术结合的产物，它运用专家系统技术、实

例推理技术、约束满足技术、神经网络技术等。因此，智能CAD技术以及数据库软件、

AutoCAD系统的完善，专家知识的不断充实，为齿轮精度分析与设计智能系统的建立

提供了必要的技术支持。目前齿轮精度计算机辅助设计己有报道，但实用的面齿轮精度

设计智能系统尚不多见，而面齿轮分析计算机辅助系统更不多见。

1、3本文的主要内容

1.用VC编辑窗口，要求实现几级菜单，多种面齿轮的力学分析（直齿、斜齿、弧

齿等）用VisualC++对系统的代码进行编写，实现了ANSYS软件与本参数化建模与数

值分析平台之间的数据传递，解决了调用程序等接口技术方面。

2.利用ansys软件进行建模有限元分析，通过接口，让vc调用此分析，在窗口中实

现调用齿数、压力角、模数、齿顶高系数和齿隙系数五个关键尺寸参数作为独立参数，

对齿轮外形和尺寸进行限制和设计。在利用ANSYS二次开发的功能时，对参数变化时

生成齿轮的APDL命令流文本进行调用。实现了参数化建模数据和数值分析数据的可视

化处理功能。

3.用matlab软件进行优化分析，让vc通过接口调用此优化

4.杭州经典 力学分析中，在VisualC++对ANSYS软件进行二次开发的环境中，通过结合软件

自身的APDL语言，实现了一对齿轮的三维实体数据、网格数据、变形数据、应力数据、

应变数据和各种动力学数据可视化并可画出相应的图形(网格划分图、变形图、应力云

图等)。通过不同类型、不同大小的齿轮模型的参数化建模，验证了本参数化建模和数

值分析软件系统的有效性。通过建立一对齿轮的参数化模型，然后网格划分和设定边界

条件等，最后可根据实际传动情况在静力学界面和模态分析界面输入了相应的约束条件

和载荷扭矩条件等边界条件，对齿轮进行了静力分析、模态分析等，分析了一对齿轮的

网格划分图、变形图、应力云图和模态振型图等，进一步验证了本软件系统的有效性

第二章软件的设计框架及功能实现

本研究的主要研究目的是搭建参数化建模的平台，来实现对不同零部件进行参数化的建

模和数值分析，从而达到提高产品设计的准确性和效率，节省设计时间和成本。该研究

的一项主要内容就是对该平台软件系统的架构进行整体上的设计，其中要依赖VC进行

程序的编写。本研究考虑到有限元计算的稳定性，选用了比较通用的工程软件ANSYS

的批处理模式作为后台调用模式。这个软件平台可以通过两种方法进行建模:第一种是运

用图形用户界面，通过调用主菜单和通用菜单进行命令的绘图，第二种是通过命令输入

方法，两种方法都可以完成建模然后根据需要对模型进行参数化的计算。ANSYS软件

本身有自动生成APDL代码的文本文件的功能，我们可以将两种方法建立模型生成的

APDL代码进行保存。ANSYS软件有一种批处理模式，这种模式模块性很强，我们可

以根据需要通过外部的操作对该模式进行调用，从而实现对ANSYS的操作，可以自动

生成模型。我们发现通过ANSYS的批处理模式对APDL代码进行调用生成图像的的实

际效果，与在软件中直接导入APDL文本的效果是没有差别的。不仅仅是针对生成的模

型图像是相同的，事实上通过数值分析计算得出的结果和图像也是相同的，并且可以通

过APDL程序代码控制的截图功能进行获取，然后显示在图像窗口。设计出与MATLAB

连接的窗口，可以把已选择好的参数模型，通过此压音 功能，把数据模型导入到

MATLAB中实现优化设计分析，再把优化结果，通过此功能传回到面齿轮设计软件。

达到优化的效果。

图2-1表示平台系统的主要的架构设计流程。前处理部分是参数输入模块。在该模

块输入主参数一计算尺寸----APDL命令一调用ANSYS一完成建模;主处理部分是

ANSYS数值计算模块。在该模块一设置边界条件一施加载荷和扭矩一确定分析类型一

生成APDL命令文本一ANSYS计算;后处理部分是可视化模块。在该模块提取数据结果

一输入可视化参数一倒到图像窗口一显示结果。

图2-1平台系统的主要的架构设计流程图

图2-2平台不同模块的具体结构

2.2平台运行

2.2.1运行的条件

平台和系统的正常运行需要硬件和软件条件的支持。硬件条件包括:IntelCOREi3或以

上CPU的处理器，硬盘空间应在320GG以上等;软件条件包括:WindowsXp或者7系统

等。本研究研发使用和测试的硬件和软件条件:CPU型号:Inteli32330M硬盘容量:20GB

7200转显卡芯片:AMDRadeonHD6630M内存容量:2BDDR31333MHz

2.2.2平台中ANSYS分析的步骤

第一步:在参数输入界面输入给定的齿轮参数，ANSYS会根据这些参数将自动在ANSYS

中生成APDL命令流文本。第二步:将APDL命令流文件通过ANSYS软件的批处理接口

调入到ANSYSwork.h;第三步:ANSYS根据APDL代码进行分析计算;第四步:生成图象并

进行调用。

2.2.3软件平台中与MATLAB调用优化

由已选择好的参数窗口调用MATLAB软件，使用MATLAB编程软件可以简化齿轮设计

中的计算过程，只需将参数输入就可以计算出正确的结果。此调用了三个程序，分别为

绘制标准齿圆柱齿轮渐开线曲面，直齿轮几何尺寸设计，以及两齿轮相对滑动系数相等

时的变位系数的选择。在编写程序的过程中需用到一些特殊曲线公式，例如绘制渐开线

曲面轮廓时就用到了此曲线在直角坐标系中的表达式。另外，程序在运行中可能需要在

程序代码中设置初始值，以便计算出正确的结果，所选初始值的大小应尽量接近正确的

结果，在计算中有可能会出现输入值相同而计算结果不同，这可能是软件本身的问题，

还需要弥补。本次设计一对齿轮，根据给定的参数，使用Matlab计算出齿轮的其他参

数及几何尺寸。

第三章基于vc的系统界面设计

3.1VisualC++6.0介绍

作为一个优秀的Windows开发软件，VisualC++6.0强大灵活的界面设计功能、己

经完善的基础性和框架性能、易学易用的开发过程，它的MFCAppWizard向导功能，

可以轻轻松松的形成一个可执行程序的框架，开发人员只需要在这个框架里添加所需要

的模块;它提供的ClassWizard向导功能，开发人员只需要将控件与变量关联，就可以使

用MFC中相关的所有成员函数了;另外它提供了界面设计的控件较多，比如CList列表

控件，就有Report等几种模式，可实现列表和表格等多种形式。正是由于VisualC++6.0

灵活的、便利的使用功能，它才越来越被更多的程序开发人员喜欢。总的来说，它具有

以下几点特点:1)开放环境VisualStudio由一套集成工具组成，用于开发Win32环境下运

行的应用程序。2)提供功能强大的向导工具(MFCAppWizard.C1assWizard)。具有

DeveloperStudio的项目工作区的形式组织元件及项目等配置。4)MFC类库支持多线

程运用程序5)具有WindowsSocked和Mapi支持，可以与网络及E-mail连接；6)具有最

快的数据库访问，允许用户适应强有力的数据库应用程序。7)具有强有力的Internet支

持。8)对OLE提供强有力的支持。

3.2面齿轮设计软件人机交互界面开发

3.2.1用户页面设计

如图3-1所示是面齿轮设计系统的进入界面，用户在打开程序时，会弹出此窗口，

显示出此设计软件已经运行。用户点击进入按钮，系统会自动跳转到主菜单设计界面。

用户需要退出设计系统，点击右上角退出符号即可。

图3-1用户页面设计

3.2.2用户主菜单界面

当用户点击进入按钮以后，进入到主菜单界面，如图3-2所示。此界面由五个菜单选项

构成，分别是以下：1初步设计，2详细设计，3接触强度校核，ansys接口模块，MATLAB

优化接口设计模块。主菜单上还包括了接触强度校核这个部分的功能板块。用户可以在

此界面上输入面齿轮的使用系数，修正系数，齿向载荷分布系数，节点区域系数，弹性

系数，重合度系数，螺旋角系数，寿命系数，速度系数，齿面工作系数，尺寸系数，最

小允许安全系数等所需要的齿轮设计参数，然后存储下系统后台数据库里面，当用户完

成了，初步设计和详细设计生成带参数的齿轮轮模型，当调用ansys软件做分析时，这

些参数模型会一并通过ANSYSs接口功能板块导入到ansys软件中，进行有限元分析。

图3-2用户主菜单界面

3.2.3设计过程界面

设计过程界面包含于初步设计，和详细设计两个部分的功能板块。在初步设计中，用户

需要选择并输入以下参数：面齿轮的材料（通常选择渗碳淬火45钢），面齿轮的精度等

级IQ（要求不是特别高的情况下，一般选择8级精度）；材料的各部分参数，抗接触疲

劳应力极限，弯曲疲劳应力极限，齿面布式硬度，泊松比，密度等；当用户选择好了各

部分参数以后，点击√按钮，面齿轮设计软件就会把输入的数据，自动保存在系统的后

台数据库，当用户要清理当前齿轮参数，点击X按钮，设计软件就会把当前数据给清零，

用户就能自己输入所需要的数据。如图3-3所示。

以下是主界面所需的部分代码：functionvarargout=untitled2(varargin)

gui_Singleton=1;

gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...

'gui_Singleton',gui_Singleton,...

'gui_OpeningFcn',@untitled2_OpeningFcn,...

'gui_OutputFcn',@untitled2_OutputFcn,...

'gui_LayoutFcn',[],...

'gui_Callback',[]);

ifnargin&isstr(varargin{1})

gui__Callback=str2func(varargin{1});

end

ifnargout

[varargout{1:nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:});

elgui_mainfcn(gui_State,varargin{:});

end

functionuntitled2_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)

=hObject;

%Updatehandlesstructure

guidata(hObject,handles);

%UIWAITmakesuntitled2waitforurrespon(eUIRESUME)

%uiwait(1);

t(gcf,'name','计算变位系数');

%---Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.

functionvarargout=untitled2_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)

varargout{1}=;

%---Executesduringobjectcreation,afterttingallproperties.

functionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit2_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit2_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit3_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit3_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit4_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit4_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit5_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit5_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit6_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit6_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit7_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

endfunctionedit7_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)

z1=str2num(get(1,'string'));

%字符转换成数值

z2=str2num(get(2,'string'));

%字符转换成数值

m=str2num(get(3,'string'));

%字符转换成数值

a=str2num(get(4,'string'));

%字符转换成数值

ha=str2num(get(5,'string'));

%字符转换成数值

ct=str2num(get(6,'string'));

%字符转换成数值

ax=str2num(get(8,'string'));

%字符转换成数值

az=0.5*m*(z1+z2);

%计算标准中心距

at=acos((az*cos(a*pi/180))/ax);

xh=((z1+z2)/(2*tan(a*pi/180)))*(tan(at)-at-tan(a*pi/180)+(a*pi/180));

%计算变位系数总和

k=xh-((ax-az)/m);

%计算齿顶高变动系数

assignin('ba','ha',ha);

%将ha从ba空间调出

assignin('ba','z1',z1);

assignin('ba','z2',z2);

assignin('ba','at',at);

assignin('ba','a',a);

assignin('ba','k',k);

assignin('ba','xh',xh);e=fsolve(@myfun,6);

%使用函数调用

t(7,'string',e);

%将数值转换成字符串，在文本框中显示

q=xh-e;

t(9,'string',q);

d(1)=m*z1;

%计算分度圆直径

d(2)=m*z2;

t(13,'string',d(1));

%数值转换成字符串

t(14,'string',d(2));

functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)

clo

functionedit8_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit8_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit9_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit9_Callback(hObject,eventdata,handles)

图3-3面齿轮初步设计材料参数界面

当用户进行初步设计后就会进入详细设计界面，在此界面用户需要做的是以下工作;进入

分配系数界面，用户需要录入齿宽系数ha）（通常取1），顶隙系数c*（图例中取0.25）

压力角a（取20度），变位系数（此例中采用的是非变位面齿轮，取0），点击计算按钮

就会计算出模型它的相应数据，点击√按钮就会保存当前输入，点击X就会清空当前数

据，并且退出当前工作界面，返回到菜单功能界面中。同理用户还需要在齿宽系数界面

中输入以下数据参数，齿轮对称布置时齿宽系数标准设置为0.8-0.4，非对称布置齿宽系

数取0.6-1.2，悬臂布置系数为0.3-1.4,，齿宽系数取0.8，点击√按钮就可计算数据并保

存在后台数据库里面。

这软件界面代码具体如下

functionvarargout=jkx(varargin)

gui_Singleton=1;

gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...

'gui_Singleton',gui_Singleton,...

'gui_OpeningFcn',@jkx_OpeningFcn,...

'gui_OutputFcn',@jkx_OutputFcn,...

'gui_LayoutFcn',[],...

'gui_Callback',[]);

ifnargin&isstr(varargin{1})

gui__Callback=str2func(varargin{1});

end

ifnargout

[varargout{1:nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:});

elgui_mainfcn(gui_State,varargin{:});

end

functionjkx_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)

guidata(hObject,handles);

t(gcf,'name','面柱齿轮渐开线参数输入窗口');

functionvarargout=jkx_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)

varargout{1}=;

fnctionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit2_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit2_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit3_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit3_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit4_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit4_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)

figure;

t(gcf,'name','面齿轮');

m=str2num(get(1,'string'));

z=str2num(get(2,'string'));

a=str2num(get(3,'string'));

ha=str2num(get(6,'string'));

ra=m*(0.5*z+ha);

%齿顶圆半径

rb=0.5*m*z*cos(a*pi/180)

;%基圆半径

rk=rb:0.01:ra;

%向径范围

aa=atan(sqrt((ra.^2/rb.^2)-1));

%齿顶圆上的压力角

wk=tan(aa)-aa;

%齿顶圆上的展角

w=0:pi/180:pi/3;

x=rb*(cos(w)+w.*sin(w));

y=rb*(sin(w)-w.*cos(w));

plot(x,y,rb*cos(0:0.01:2*pi),rb*sin(0:0.01:2*pi),ra*cos(0:0.01:2*pi),ra*sin(0:0.01:2*pi))

xlabel('x轴单位：mm','fontsize',9);

ylabel('y轴单位：mm','fontsize',9);

axiqual;

title('（基圆与齿顶圆之间的部分为该齿轮的渐开线）

','fontsize',11);text(ra*cos(pi/4),ra*sin(pi/4),'leftarrow齿顶圆','fontsize',10);

text(rb*cos(0.8*pi),rb*sin(0.8*pi),'leftarrow,'fontsize',10);

text(rb.*(cos(20*pi/180)+20.*pi/180.*sin(20.*pi/180)),rb.*(sin(20*pi/180)-20.*pi/180.

*cos(20.*pi/180)),'leftarrow渐开线','fontsize',10);

functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)

clo%关闭窗口

functionedit6_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit6_Callback(hObject,eventdata,handles

弧齿轮设计界面

图3-4面齿轮直齿轮设计界面图

图3-5面齿轮详细设计齿宽系数界面图

3.2.4ansys接口设计界面

如图3-6所示，在此界面中，用户需要，输入面齿轮模型，静力分析参数包括了：

边界条件和载荷要求，其中边界条件参数有包括，齿圈内约束，轴向1500，径向约束

uz，载荷方向为齿轮扭矩的顺时针，齿轮内圈载荷uk等参数，最可还包含了模态分析，

用户把这些数据输入到设计软件系统，通过此接口中导入ansys按钮就可够把数据传输

到ansys软件中进行，模态分析，静力有限元的分析，具体结果如四章所示，在此不做

过多的阐述。此界面还可清空当前数据，退出界面，用户可以根据实际的需求选择，相

应的操作。最后再返回到主菜单界面

图3-6ansys分析接口界面图

3.2.5MATLAB接口设计界面

如图3-7所示，是面齿轮的MATLAB优化接口界面，在此界面用户需要做的是以下

操作：输入齿轮模数m，齿数z，压力角a，齿顶高系数ha*等参数的值，系统就会自动

的保存这些参数，点击导入按钮，就会把这些参数导入到MATLAB中做优化，具体结

果将会在第五章中展示，在此也不做过多的阐述，最后用户也可以清空当前数据，进行

下一次操作，点击退出按钮就会退出到主菜单界面。

以下是实现代码：functionvarargout=untitled1(varargin)

gui_Singleton=1;

gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...

'gui_Singleton',gui_Singleton,...

'gui_OpeningFcn',@untitled1_OpeningFcn,...

'gui_OutputFcn',@untitled1_OutputFcn,...

'gui_LayoutFcn',[],...

'gui_Callback',[]);

ifnargin&isstr(varargin{1})

gui__Callback=str2func(varargin{1});

endifnargout

[varargout{1:nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:});

elgui_mainfcn(gui_State,varargin{:});end

%Endinitializationcode-DONOTEDIT

functionuntitled1_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)

=hObject;

%Updatehandlesstructure

guidata(hObject,handles);

%UIWAITmakesuntitled1waitforurrespon(eUIRESUME)

%uiwait(1);

t(gcf,'name','面齿轮几何尺寸导入')

%---Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.

functionvarargout=untitled1_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)

varargout{1}=;

%---Executesduringobjectcreation,afterttingallproperties.

functionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

%hObjecthandletoedit1(eGCBO)

%eventdatarerved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB

%handlempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled

%Hint:editcontrolsusuallyhaveawhitebackgroundonWindows.

%

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)

%---Executesduringobjectcreation,afterttingallproperties.

functionedit2_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

elt(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

fuctionedit2_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit3_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit3_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit4_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit4_Callback(hObject,eventdata,handles)

%---Executesduringobjectcreation,afterttingallproperties.

functionedit5_CreateFcn(hObject,eventdata,handles).ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit5_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit6_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

endfunctionedit6_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit7_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit7_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit8_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit8_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit9_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit9_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit10_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit10_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit11_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit11_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit12_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit12_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit13_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit13_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit14_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)fispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit14_Callback(hObject,eventdata,handles

functionedit15_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit15_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit16_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit16_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit17_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit17_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit18_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit18_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)

1=str2num(get(1,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给z1.

z2=str2num(get(2,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给z2.

m=str2num(get(3,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给m.a=str2num(get(4,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给a.

ha=str2num(get(5,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给ha.

ct=str2num(get(6,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给ct.

x(1)=str2num(get(7,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给x(1).

x(2)=str2num(get(19,'string'));

%将字符串转换成数值，赋给x(2).

d(1)=m*z1;

%将乘积赋给d(1).

t(8,'string',d(1));

%将d(1)转换成字符串，在文本框中显示.

d(2)=m*z2;

t(9,'string',d(2));

%将d(2)转换成字符串，在文本框中显示.

db(1)=m*z1*cos(a*pi/180);

%计算基圆直径

t(10,'string',db(1));

%将db(1)转换成字符串，在文本框中显示.

db(2)=m*z2*cos(a*pi/180);

et(11,'string',db(2));

%将db(2)转换成字符串，在文本框中显示.

s1)=pi*m/2+2*x(1)*m*tan(a*pi/180);

%计算齿轮1的齿厚

t(20,'string',s(1));

%将s(1)转换成字符串，在文本框中显示.

s(2)=pi*m/2+2*x(2)*m*tan(a*pi/180);

t(17,'string',s(2));

%将

s(2)

转

换

成

字

符

串

，

在

文

本

A=(2*(x(1)+x(2))/(z1+z2)).*tan(a*pi/180)+tan(a*pi/180)-a*pi/180;

assignin('ba','A',A);

%调用函数，将A得值转换出来.

u=fsolve(@h0,20*pi/180);

%使用函数

ut=u*180/pi;

%将弧度转换成度

t(16,'string',ut);

框

中

显

示

.

%将ut转换成字符串，在文本框中显示

D(1)=(m*z1*cos(a*pi/180))/cos(u);

t(14,'string',D(1));

%将D（1）转换成字符串，在文本框中显示

D(2)=(m*z2*cos(a*pi/180))/cos(u);

t(15,'string',D(2));

%将D（2）转换成字符串，在文本框中显示

w1=0.5*m*(z1+z2);

%计算标准中心距

w2=w1*cos(a*pi/180)/cos(u);

%计算安装中心距

t(22,'string',w2);

%将w2转换成字符串，在文本框中显示

q=x(1)+x(2)-((w2-w1)/m);

%计算齿顶高变动系数

da(1)=d(1)+2*(ha+x(1)-q)*m;

%计算齿1顶圆直径

t(12,'string',da(1));

%将da(1)转换成字符串，在文本框中显示

da(2)=d(2)+2*(ha+x(2)-q)*m;

t(13,'string',da(2));

a(1)=acos(db(1)/da(1));

%计算齿轮1顶圆压力角a(2)=acos(db(2)/da(2));

e=(0.5/pi)*z1*(tan(a(1))-tan(u))+(0.5/pi)*z2*(tan(a(2))-tan(u));

%计算重合度

t(18,'string',e);

%将e转化成字符串在文本框显示

%---Executesonbuttonpressinpushbutton2.

functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)

%hObjecthandletopushbutton2(eGCBO)

%eventdatarerved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB

%handlesstructurewithhandlesandurdata(eGUIDATA)

clo

%---Executesduringobjectcreation,afterttingallproperties.

functionedit19_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit19_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit20_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit20_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit21_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));end

functionedit21_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionedit22_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)

ifispc

t(hObject,'BackgroundColor','white');

el

t(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));

end

functionedit22_Callback(hObject,eventdata,handles)

functionF=h0(x0);

A=evalin('ba','A');

F=tan(x0)-x0-A

保存为h0.m

图3-7MATLAB优化接口功能界面

第四章ansys软件进行建模有限元分析

4.1ANSYS简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围

内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，comput盗窃司法解释 er

Aideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN、Algor、I－DEAS、

AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析

软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、

电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应

用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在

历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有

限元分析或者作为标准教学软件。

本研究的主要研究目的是搭建参数化建模的平台，来实现对不同零部件进行参数化的建

模和数值分析，从而达到提高产品设计的准确性和效率，节省设计时间和成本。该研究

的一项主要内容就是对该平台软件系统的架构进行整体上的设计，其中要依赖vc进行

程序的编写。本研究考虑到有限元计算的稳定性，选用了比较通用的工程软件ANSYS

的批处理模式作为后台调用模式。这个软件平台可以通过两种方法进行建模:第一种是运

用图形用户界面，通过调用主菜单和通用菜单进行命令的绘图，第二种是通过命令输入

方法，两种方法都可以完成建模然后根据需要对模型进行参数化的计算。ANSYS软件

本身有自动生成APDL代码的文本文件的功能，我们可以将两种方法建立模型生成的

APDL代码进行保存。ANSYS软件有一种批处理模式，这种模式模块性很强，我们可

以根据需要通过外部的操作对该模式进行调用，从而实现对ANSYS的操作，可以自动

生成模型。我们发现通过ANSYS的批处理模式对APDL代码进行调用生成图像的的实

际效果，与在软件中直接导入APDL文本的效果是没有差别的。不仅仅是针对生成的模

型图像是相同的，事实上通过数值分析计算得出的结果和图像也是相同的，并且可以通

过APDL程序代码控制的截图功能进行获取，然后显示在图像窗口。

4.2ANSYS数值计算平台的选择与验证。

由于齿轮存在较复杂的接触问题，因此参数化模型建立之后需要对齿轮啮合的接触对进

行设定，然后对网格进行划分并确定划分的网格的密度大小，然后对边界条件进行设定、

施加载荷和扭矩、对材料属性进行设定，满足以上条件后，平台进行计算分析。由于

ANSYS软件的有限元求解器是非常强大、稳定并通过了严格的验证性测试，是公认的

商用软件，因此本文设计了调用ANSYS的有限元的接口窗口并在后台调用的方式进行

数值计算。

4.3ANSYS有限元分析的主要步骤

通过查看和学习《ANSYSWorkbench14.0仿真技术与工程实践》这本书，可知ANSYS

有限元分析过程有主前处理部分、有限元求解和后处理部分

1.前处理部分，前处理器主要的工作是:指定任务名和分析标题、定义单制、定义单

元类型、定义实常数、定义材料特性、创建有限元模型，最后运用实体建模法得到模型。

这些数据有面齿轮设计软件直接导入可以运用的绘图软件有很多，我们并不要求只能在

ANSYS中进行绘图，那么我们可以通过三种方法来实现在ANSYS软件中生成所需的

几何模型。第一:参考参数化建模的APDL命令流，来编写命令流文本，然后在然ANSYS

的命令输入窗口进行输入，点击ENTER键，生成模型。第二:运用实体建模法，通过人

机交互界面，用Modeling模块进行主菜单和通用菜单的各项命令进行实体模型的创建。

第三:先利用ProE,UG等三维建模软件建立实体模型，然后将建立的模型再导入

到ANSYS软件中。

2.求解过程:完成模型的建立以后，对其进行分析计算，然后将生成的结果保存成

文件形式。求解过程的步骤总共分四步:

(1)选择分析的类型和指定分析选项

(2)载荷和约束的施加

4.4齿轮有限元分析

对面啮合直齿轮进行力学分析时，首先是进行参数化建模和网格划分。网格划分是

在接触对设定以后的一个重要步骤。划分网格的单元类型选择以及网格密度的大小都会直接模型网格划分的速度和结果，进而影响结果分析的计算效率和结果的精确程度。轮

齿的齿面和齿根形状比较复杂，因此本平台选用了网格划分比较简单的四面体单元。对

齿轮整体的自动划分网格问题来说，通过自动生成APDL语言并在后台直接调用ANSYS

具备的四面体单元自动对模型进行网格单元类型和网格密度的选择，进而实现网格的划

分。齿轮的啮合部分是两个齿轮的齿廓线进行接触，渐开线齿轮的齿廓线是曲线，并不

是直线，考虑齿厚，需要把啮合的模型放到三维空间，可知接触的部分是两个曲面在啮

合，同时接触的曲面的面积的大小以及状态会随着所受载荷大小和类型的变化而相应的

发生变化。因此我们需要对接触区域及其附近部分确定合适的单元类型和网格密度，来

保证我们的分析结果的可靠性和实用性针对所给渐开线齿轮模型，选用solid4_5的单元

类型，确定大、小齿轮网格密度大小分别为6和7,，然后渐开线齿轮的模型进行自由网

格划分，如图4-1所示。

图4-1齿轮有限元模型图

划分网格以后，需要在数值分析界面选择所要进行的的分析类型，然后针对所选的

分析类型设置影响的求解选项，这些选项主要有对材料属性的设置、边界条件的定义、

接触对的设定和对载荷扭矩的施加等等，完成建模和分析后可以生成相对应操作的

APDL文本，我们需要对APDL文本中的命令流进行整理和和提炼，对其中关于鼠标移

动、视角调整等操作生成的语言进行删减，最后再将APDL文本导入到ANSYS中进行

分析计算。在平台完成了对模型的有限元分析之后，我们需要通过查看图像来获取分析

的结果，对应力集中现象、发生弯曲应力的位置和力的大小进行预防和优化设计等等。

那么实现这个过程的主要步骤是:程序在ANSYS中运行并进行分析计算，然后得出结果

并生成图像，可以利用APDL代码来完成在ANSYS中提取图像的工作，得到结果的图

像。最后，通用ANSYS与VC++的接口把在ANSYS中生成并提取的图像导入到平台

的分析模块，实现分析计算结果的可视化给定渐开线齿轮的主要独立的参数:齿数是40

和_50、模数是12、顶隙系数是0.25,齿顶高系数是1、压力角是200，对该啮合齿轮对

进行建模、划分网格、设置边界条件、施加载荷和扭矩，然后进行分析计算在输出界窗

口进行查看计算出的结果。该平台可对渐开线齿轮进行不同类型的数值分析，比如静力

学分析、模态分析、瞬态分析等有限元分析。视觉参数功能的添加，可以通过调整图像

高度来达到调整图像大小的目的，以及通过鼠标不同的实际操作对结果进行位置的平移、

三维视角的转换等功能。在平台的图像输出窗口可以对实体模型、有限元模型、等各种

结果进行查看，还可以通过图像得出力的大小、变形的位置和变形量的大小、不同阶数

的振型等等。

4.5面齿轮传动的应力分析

在面齿轮的设计中，应力设计是其中的重要内容之一。齿而接触应力和齿轮弯曲应

力是应力设计中的两类基本问题。一般齿轮的弯曲应力计算是采用著名的路易斯(l、wis)

方法，把轮齿看作定截而的悬臂梁处理。然而用的简单材料力学方法处理，与实际出入

较大。有限单元法的出现，能比较好地真实地反映轮齿实际应力，如假设条件合理，能

比较真实地反映轮齿实际应力。对于面齿轮，其轮齿是一个形状复杂的螺旋体，应用有

限元方法计算，能获得较好的结果。轮齿齿而接触强度不够，齿而将产生点蚀、剥落、

塑性变形等损伤。为了防止齿而产生这些损伤，必须进行齿而的接触强度计算，限制齿

而的接触应力不超过许用值。由于面齿轮是点啮合制，到目前为比，确定齿而接触应力

时大多是利用Hertz公式，作近似计算，计算结果有很大差别。有限元法是分析接触问

题的一种有效手段。图4-2是应用有限元分析软件按ANSYS进行分析得出的面齿轮径

向应力云图。

图4-2面齿轮径向应力云图。

人机交互界而，后台调用有限元计算程序，计算双圆弧齿轮的弯曲和接触应力分析，最

后通过人机交互的界而显示结果，并可以对计算结果进行保存。软件是在Vc6.U环境

下开发的，设计人员通过对话框可以选择不同类型的齿轮和不同计算要求(本文完成双

圆弧齿轮设计)，如弯曲应力计算或接触应力计算。在对话怎么做鸡蛋汤 框中还可以选择不同的参数

确定需要分析的双圆弧齿轮的尺寸，然后自动生成用于文件，调入ANSYS中控制计算

流程，最后自动在软件界而中显示计算结果。在VC所设计的程序中调用ANSYS采用

批处理方式，其具体执行过程如下:首先要建立该参数化模型的ANSYS批处理文档;利

用VB的交互界而得到用户指定的参数，并生成该参数文件，保存到相应的工作目录中;

在注册表中对ANSYS的环境进行设置;设置好ANSYS的环境变量后，就可以启动

ANSYS了，为了得知ANSYS何时运行结束，可以用以下提供的函数执行ANSYS，该

函数会在ANSYS执行完毕后才返回;执行后，ANSYS会弹出一个确认的对话框，必须

按下RUN才可以进行下一步分析工作;ANSYS运行结束后，该函数将返回，此时可以

从刚才指定的工作目录中找到ANSYS的分析结果。

第五章matlab软件进行优化分析

MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，它是一个由美国Mathworks开

发的，用于数学计算的商业软件，它包括MATLAB和Simulink两部分组成，主要用于

分析数据、数据的可视化、算法的开发、数值计算等的高级计算机语言。在数学类商业

计算软件中，MATLAB,Maple和Mathmatica这三大软件可以说是广泛应用于数值计算

当中。MATLAB能够对矩阵进行运算、算法的开发、建立函数、并且能调用其它的编

程语言等，所以它能在信号检测与处理、复杂数据计算、处理图象及其他一些信号通讯、

设计与分析金融建模等领域得到广泛应用。矩阵是MATLAB的基本数据单位，其表达

形式同其他数学和工程用的形式大同小异，如果用C语言、FORTRAN语言来解答计算

问题，MATLAB显得更加简单快捷方便，Mathwork引用大量其他一些计算软件的优点，

使得MATLAB在数学计算软件中独占鳌头。但在高版本的MATLAB软件中也增加了对

C语言、C++语言及JAVA等的支持，用户也可以编一些程序，然后导入到MATLAB的

函数库中，要用时都可以方便的调用。Matlab编一个程序，实现齿轮参数及几何尺寸的

计算。齿轮机构用于传递原动机与工作机之间的运动和动力。它可以实现不同的匀速运

动或按预定规律变化的运动，也可以改变运动的形式，如将转动转化为移动或相反。齿

轮传动是机械中应用最为广泛的一种传动装置。这是因为它具备一系列显著的优点：（1）

可以实现精确的匀速和变速运动，某些精密的减速装置，其运动误差可控制在1角分以

内。（2）既可用于高速和重载的传动，又可用于精密和微小的机械与仪表中，目前已有

圆周速度200m/s和传动功率500OOKW的齿轮装置，而在微机械中，近年已制造出直

径为数十微米的齿轮。本次设计需要使用Matlab语言。1.1MATLAB简介MATLAB

是“矩阵实验室”(MatrixLaboratory)的缩写，它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语

言。它把科学计算、结果的可视化和编程都集中在一个使用非常方便的环境中。典型的

MATLAB应用包括:数值和符号计算，数据分析、检测和可视化，建模、仿真和科学与

工程绘图，应用程序接口与MATLAB工作空间链接模块。

5.1MATLAB软件简介

MATLAB语言能发展那么快，并且生命力如此旺盛，主要在于它的语言特点独特，

不同与其它语言。之所以有人称MATLAB为第四代计算机语言，就是MATLAB中有丰

富的函数可以调用，计算机技术人员可以从繁琐的程序代码中解放出来，当然，MATLAB

还有更为突出的特点就是简洁。MATLAB界面使用起来很直观的、它的代码适合用户

的思维习惯，不再像C和FORTRAN语言那样，代码冗长。在人机交流中，MATLAB

给用户的感觉就是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主

要特点。

1、语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。在编制程序时，MATLAB的

书写形式自由，由于MATLAB拥有丰富的库函数，程序员可以不用调用子程序来完成

复杂的程序编制。MATLAB中的库函数都是那些在此领域拥有丰富的专家编写，所以

用户没有必有去担心函数的可靠性。使用过FORTRAN和C等高级计算机语言知识的用

户会知道，当我们用FORTRAN或C语言去编写程序，特别是编制程序涉及到画图时，

程序编制起来显得非常繁琐。用户在编制一个程序来求解接线性代数方程时，首先必需

编制一个程序来读数据，然后使用一个解线性方程的算法编制一个程序来解方程，最后

再输出计算结果。在解线性方程中，要对矩阵的元素循环，算法的选择时，必需要选择

适合的算法，当然代码的调试也是特别繁琐的。虽然有一小部分源代码，用户用起来也

不是那么简单直观，且运算的稳定性也得不到保证。如果用FORTAN和C语言来编制

一段求解解线性方程的程序，至少也要好几十行才能得到求解结果。再如用双步QR方

法求解矩阵特征值，如果用FORTRAN编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计

算程序可以说很困难。以下为用MATLAB编写以上两个小程序的具体过程。可见，

MATLAB的程序编制如此简洁，十分方便。MATLAB在编制程序时还具有一定的智能

功能，这个很值得我们关注。比如说我们要解上面的矩阵方程，MATLAB能够依据矩

阵的特性来选择方程的求解方法。

2、运算符丰富。由于MATLAB软件是用C语言编写的，所以MATLAB的运

算符同C语言一样丰富，这样一来编制程序时就显得更简洁。

3,MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环、while循环、break语句和if

语句)，又有面向对象编程的特性。

4,MATLAB对语法的要求不是很严格，程序设计时更自由。例如，在MATLAB

里，在解矩

阵方程时，可以不要预定义。

5、有很好的兼容性，MATLAB可以在各类计算机中和各中操作系统中运行。

6,MATLAB拥有强大的图像功能。在FORTRAN和C语言里，要绘图非常

繁琐，但在MATLAB里。MATLAB能提供友好的图形编辑界面。

7、但MATLAB也有很多缺点，它的运行速度很慢。

8,MATLAB还有功能强大的工具箱。MATLAB的工具箱有两部分组成，一是

核心部分，核心部分中有许多的核心内部函数。另一是各种可选的工具箱。按照分类，

工具箱可以分成两类，一类功能性工具箱，它主要是用来为其扩充符合计算功能、文字

处理功能、建模仿真功能等。另外一类是学科性工具箱，这类工具箱专业性非常强。功

如control,toolbox,signalprocessingtoolbox,communicationtoolbox等。这些工具箱都是

那些在此领域拥有丰富的专家编写，所以用户没有必要去编写学科范围内的基础程序

5.2MATLAB的优化工具箱

利用Matlab的优化工具箱，可以求解线性规划、非线性规划和多目标规划问题。具

体而言，包括线性、非线性最小化，最大最小化，二次规划，半无限问题，线性、非线

性方程(组)的求解，线性、非线性的最小二乘问题。另外，该工具箱还提供了线性、非

线性最小化，方程求解，曲线拟合，二次规划等问题中大型课题的求解方法，为优化方

法在工程中的实际应用提供了更方便快捷的途径。

5.3调用MATLAB的优化及分析结果

由前面齿轮设计软件导入齿轮齿轮模数m，齿数z，压力角a，齿顶高系数ha*等参

数的数据后，在MATLAB中调用程序包就可以实现以下操作。

修改其余的控件属性,编制参数界面（输入参数：一对相互啮合齿轮的齿数、模数、

压力角、齿顶高系数、顶隙系数、变位系数），计算结果输出界面（输出结果：分度圆

直径、基圆直径、齿顶圆直径、啮合角、节圆直径、分度圆齿厚、重合度、安装中心距）。

上述工作做完后，点击保存，将文件保存，保存后会自动跳出一个M文件如图5-1所示，

在适当的命令下编写程序。图5-2面齿轮几何尺寸的程序代码窗口程序中用到函数：

assignin与evalin，MATLAB通常的基本工作空间是'ba'空间。MATLAB在程序运行过

程中，将为每个函数分配它自己的函数工作空间（从基本空间中分割出的一块，以函数

名作为其工作空间名），各个工作空间之间的变量是不能够直接引用范曾书法 的，在函数退出之

后，该函数空间也就立即被注销。而对于脚本M文件，其工作空间与基本工作空间'ba'

是共享的。因此，对于函数文件，运行结果除输出变量返回到基本工作空间或者其父工作空间（调用该函数的程序的工作空间）之外，其中间变量不在基本工作空间或者其父

工作空间保留。而脚本M文件运行结果，其运算过程中所用到中间变量也将在基本工

作空间'ba'中保留。assignin为工作空间的变量指派值，其语法为：assignin(WS,'name',V)，

其中，WS为工作空间名称，'name'为变量名，V是为该变量指派的值。evalin实现在工

作空间中某个表达式字符串，并将结果返回，其语法为：evalin(WS,'expression')，其中，

WS为工作空间名称，'expression'为表达式符号串。利用教师评语大全 assignin与evalin指令，可以实

现不同M文件主函数与子函数的工作空间变量的共享。程序完成后，点击Debug下的

Run，从设计软件中导出数据，在输入栏输入一组数据：齿轮1z=13,齿轮2z=35,模数m=5,

压力角=20,齿顶高系数*ah=1,顶隙系数*c=0.25,变位系数1x=0.4,2x=-0.4，运行后的界

面如下图5-3，5-4齿轮几何尺寸计算界面3.3按等滑动系数原则选择变位系数方法与

前面相同，设计完后的界面如下图5-5所示：图5-5计算变位系数的界面编制完成程序

后，运行程序，在界面里输入一组数值，运行结果，计算变位系数的界面到此，设计完

成。用电算法计算直齿轮的几何尺寸和变位系数是一种常用的方法。它的优点是精确度

高，程序一旦调试通过，计算齿轮的几何尺寸和变位系数的速度快，改变参数也很方便，

操作也很方便。缺点是从建立数学模型、设计框图、编制程序到上机调试通过需要的工

作量比图表法大。此外，变位系数的选择还受到许多传动质量的限制，在设计程序时应

考虑到这些问题。使用MATLAB计算齿轮的参数是计算机软件发展的结果。设计人员

在设计的时候可以摒弃从前那种找公式的方法，只需把所需公式输入到程序里即可。软

件中有很多公式和函数，可以满足一般方程和等式的调用，况且使用方便。另外，此程

序的修改冶很方便，若想修改其中的公式或参数，只需打开其程序代码改动即可。由于

MATLAB软件不很成熟，该设计也存在一定的问题。例如，在选择初始值的时候，若

选取不当，就会出现错误的结果，所以程序初始值的选取尤为重要。有的时候同样的程

序运行两次会出现两种不同的结果。MATLAB至今还不太成熟，在今后的发展中希望

能多增加一下调试的专用工具，应增加自动选择初始值的功能，这样此软件会使用的更

加方便。

图5-1

图5-2

图5-3

图5-4

图5-5

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致谢

在这学期里，我的大学四年就将要结束，以往学学习生涯将会写上一个逗号，在今

后的人生里，我将对这短短的大学生活有着更加深刻地怀念。而我的人生还是处于起步

阶段，以后我就更加潜心学习，勇攀学习的高峰。而我的大学生活也将要在这个地方画

上一个句号。短暂的生涯也是十分有意义的。在这段时间里，我在研发基于生命周期的

军车维修管理系统，付出了汗水的同时也收获了成功的喜悦，对信息管理系统有了深刻

的认识，知识上有了大的收获。现在我的论文已经初步完成了。我尤其要对我的指导老

师王广欣老师，表示衷心的感谢，他给了我极大的帮助和关心。才能在这么短的时间里

面对我的毕业设计和论文能够稳步的推进。汪老师治学严谨，知识广博，精益求精，具

有敏锐的学术洞察力，为人平易近人，孜孜不倦的指导学生，认真负责任。这些给我留

下了深刻地印象，然我受益匪浅。在我今后的人生道路上，我会以王老师作为我的指路

明灯，人生的标杆，在此我再一次表示对王老师深深的感谢。

在此，我还要感谢此次毕业设计时，对我关心和帮助的实验室里面的师兄们，多谢

他们的耐心指导，让我有了如此大的进步，我才能一步一步的学习系统相关，然后顺利

地做出了毕业设计，写出了毕业论文。

从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是

新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到

了很多知识也有很多感受，从一无所知，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料

和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起来，每

一次改善都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。

我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处。但是这次做论文的经历使我终

身受益。我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程

和研究的过程，没有学习就不可能有研究的潜力，没有自己的研究，就不会有所突破，

那也就不叫论文了。期望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。

在最后，我要感谢大学四年中的教导过我的老师们和在一起学习进步的同学们，你

们对我的关心和帮助，一直支持着我前行，是我的坚实的后盾。

声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果，也不包含为获得大连交通大学或其他教育机构的学位或证书而使

用过的材料。与我一同工作的对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说

明并表示谢意。

本学位论文成果是本人在大连交通大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归

大连交通大学所有，特此声明。

学位论文作者（签名）

论文指导教师（签名）_______________

年月日