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研究生: 伍志明
Jhih-Ming Wu
論文名稱: 直傘齒輪有限元素應力分析之研究
A STUDY ON THE FINITE ELEMENT ANALYSIS OF STRAIGHT BEVEL GEARS
指導教授: 石伊蓓
Yi-Pei Shih
口試委員: 蔡高岳
Kao-Yueh Tsay
廖崇禮
Chung-Lee Liao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 131
中文關鍵詞: 直傘齒輪有限元素法應力分析APDL齒面負載分佈
外文關鍵詞: Straight bevel gear, finite element stress analysis, APDL, load distribution.
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  • 隨著3D繪圖軟體以及有限元素軟體發展成熟,齒輪的應力分析可藉由CAD軟體(Solidworks、Pro/E)和有限元素分析軟體(ANSYS、ABAQUS)來達成。直傘齒輪於設計時為了降低誤差敏感度而將齒面修整成圓弧鼓形,以便能夠吸收裝配誤差,在3D繪圖軟體建立的齒形僅是近似於實際齒輪齒形。修整後的齒形需經過繁雜的數學模式才能求得其外形,經由3D軟體建模後轉換檔案格式(.SAT)再匯入有限元素軟體進行應力分析,以評估齒輪強度。有限元素軟體的功能眾多,在齒輪應力分析上只需結構分析的部分,因市售的套裝有限元素軟體為泛用型且成本昂貴,有鑒於此,本論文利用Mathematica數值軟體開發單一個直傘齒輪有限元素程式,並建立齒面負載分佈數學模式,計算單齒和雙齒接觸時的齒面負載分佈情形,以單一個直傘齒輪的齒面負載應力分析模擬一對直傘齒輪的嚙合接觸分析。最後將本論文開發的程式與ANSYS軟體進行數據比對,為節省分析時間,使用APDL參數化設計語言的操作方式將分析資料輸出成APDL腳本檔,再由ANSYS軟體讀取並自動執行分析。


    Thank to mature development of the 3D CAD design software and the finite element analysis software, the stress analysis of gears can be simulated by the 3D CAD design software, like SolidWorks as well as Pro/Engineering, and the finite element analysis software, such as ANSYS and ABAQUS. To reduce the assembly sensitivity to the flank deviations and assemble errors, the tooth profile is often modified to the crowning flank during the straight bevel gear design process. However, the tooth surface of straight bevel gear is modeled using the function provided by the 3D CAD design software which is an approximate one. The modified tooth surface can only be obtained by importing from external calculation based on the complicated mathematical models. Therefore, the design gear geometry can be imported into the finite element analysis software to make the stress analysis via the data exchange file such as SAT file.
    In the market, the finite element analysis softwares provide numerous analysis modules, so they are expensive. Considering that only the structure analysis is necessary in gear strength analysis, we develop the finite element analysis for gears strength. Therefore, in this thesis, the finite element analysis program for the single straight bevel gear is developed using the numerical computing software, Mathematica. And the mathematical model of the load distribution on the single gear is established. According to the input torque, the load distribution gives the forces exerted on one tooth and double teeth of the single gear to simulate contact of the gear pair. Finally, the results of the program developed by this research are compared with those from the ANSYS software. To reduce the time during the ANSYS analysis, the APDL parametric design language is used. The analysis data are output into the script file of APDL, and then read by ANSYS to analysis automatically.

    目 錄 中文摘要 Abstract 誌 謝 目 錄 符號索引 圖索引 表索引 第 1 章 緒論 1.1 前言 1.2 研究動機與目的 1.3 文獻回顧 1.3.1 前處理程式開發 1.3.2 有限元素法應用 1.3.3 齒面負載分佈 1.4 論文架構 第 2 章 有限元素應力分析理論 2.1 前言 2.2 形狀函數 2.3 三維線彈性力學理論 2.3.1. 應變-位移關係矩陣 2.3.2. 應力-應變關係矩陣 2.3.3. 元素勁度矩陣(Stiffness Matrix) 2.3.4. Jacobian 坐標轉換矩陣 2.4 高斯積分 2.5 解題-求解聯立線性方程組 2.6 元素應力修勻 2.7 Mathematica平行運算 2.8 小結 第 3 章 直傘齒輪齒面有限元應力分析數學模式 3.1 前言 3.2 直傘齒輪應力分析流程 3.3 直傘齒輪網格建立 3.4 單齒接觸負載分佈 3.5 雙齒接觸負載分佈 3.6 小結 第 4 章 ANSYS直傘齒輪應力分析 4.1 前言 4.2 ANSYS軟體介紹 4.3 參數化設計語言 4.4 單一直傘齒輪齒面負載應力分析腳本 4.5 一對直傘齒輪嚙合接觸分析腳本 4.6 小結 第 5 章 數值分析結果與討論 5.1 前言 5.2 直傘齒輪有限元素網格 5.3 約束條件 5.4 直傘齒輪齒面負載分佈 5.5 直傘齒輪模擬與ANSYS單個直傘齒輪應力分析結果比對 5.6 直傘齒輪模擬與ANSYS直傘齒輪對接觸應力分析結果比對 5.7 小結 第 6 章 結果與建議 6.1 結論 6.2 建議與未來展望 參考文獻 作者簡介 授權書

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