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摘 要 将ADAMS与ANSYS Workbench运用于一级圆柱直齿减速器课程设计的辅助教学，把机构的运动过程和受力变形以可视化的形式向学生展示。运用ADAMS完成减速器的运动学仿真，利用ANSYS Workbench对输出轴进行静力学分析和模态分析，得到相应的结果，与理论值比较，误差在允许范围内，故认为仿真结果合理。
关键词 ADAMS；ANSYS Workbench；减速器；仿真
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）20-0016-04
Application of ADAMS and ANSYS Workbench in Teaching of Decelerator Curriculum Design//LI Xiang
Abstract ADAMS and ANSYS Workbench were used to an auxi-liary teaching of cylindrical gear decelerator curriculum design， the movement of the mechanism and deformation were showed to students with a form of visualization. The kinematic simulation of gear decelerator was completed with ADAMS， the static and modal analysis of output shaft were completed with ANSYS Workbench， and the corresponding results were gotten， the error was in the allowable range compared with the theoretical value， so the simulation results were believed to be reasonable.
Key words ADAMS； ANSYS Workbench； decelerator； simulation
1 前言
减速器作为机械传动的一种重要形式，广泛运用于汽车、航空、石化、船舶、矿山开采等各个领域，对动力传递的效率与可靠性具有重要影响。鉴于此，减器速的设计在企业研发和高校机械专业的教学过程中占据着特殊位置。减速器设计过程涉及齿轮的传动比设计、齿轮与轴的设计与校核、寿命设计等，减速器的性能与上述过程直接相关。减速器作为大学生的课程设计之一，是培养学生学习和运用知识的平台，对学生在专业知识方面的融会贯通与科技创新具有重要影响，传统教学中主要依靠教师对减速器各零部件的讲解，采用纯理论的方法对各部件进行设计与校核，不仅枯燥无妹，且缺少标准让学生校对计算结果。在教学过程中采用先进的方法与工具以可视动画[1]的形式向学生展示物理现象，对提高学生积极性与培养创新能力，加深对现象的理解具有重要作用。
减速器的运动与受力分析实验需要光电编码器、中央处理器（如单片机、PLC、ARM）与应力应变分析仪等设备，而普通本科生很难接触到这些设备，且材料费与设备磨损费较昂贵，使得进行相关实验变得困难。随着计算机技术的突破，可视化数值模拟技术应运而生并迅猛发展，广泛运用于运动学、刚体动力学、CFD流体动力学、有限元结构分析等领域，与物理实验相比，具有效率高、重复性好、成本低的特点。ADAMS[2]是应用最广泛的刚体动力学软件，擅长运动学与刚体动力学分析，ANSYS[3]在CAE分析方面独领风骚，因此在缺乏相关实验设备的情况下，ADAMS与ANSYS Workbench对减速器的设计与校核具有非常重要的意义。
2 减速器的设计与理论校核
本文的设计思路是以一级圆柱齿轮减速器课程设计为依托，根据机械原理与传动理论完成减速器各零部件的设计，并对轴与齿轮进行校核[4]，再分别利用ADAMS与ANSYS Workbench完成运动学分析与有限元结构分析，通过与理论计算值的对比，以更直观的效果向学生展示分析结果，促进学生对知识的认知与理解。以普通课程设计中的带式运输机为例，如图1所示，设计参数如表1所示。
根据设计参数计算输入轴的功率和转速，并以此为依据选取合适的电机，计算带传动与减速器传动比，确定圆柱直齿轮的参数，设计阶梯轴等零件，完成传动装置的运动与动力参数计算，对齿轮与轴进行强度校核，部分计算结果如表2所示。
3 减速器的运动学仿真分析
完成减速器各零件的设计计算后，利用PROE建立减速器的三维模型，如图2所示。将模型以X.T格式导入ADAMS，为各零件添加合适的材料，设置工作环境与零件间的约束，ADAMS运动学分析要求机构自由度为0，故为输入轴添加旋转驱动，其随时间的变化规律如图3中int_ang_vel曲线，设置仿真时间10秒，步长为100。
图3中out_ang_vel曲线表示了输出轴转速的变化规律。由图3可知输入输出轴的转动方向相反，符合圆柱直齿轮的啮合规律；输出轴的转速具有较好的跟随性，沿一斜坡函数逐渐增大直至稳定值，稳定后输出轴转速为554.38?/s，即92.39 r/min，与理论计算值的相对误差为1.848%，在可接受范围内，故认为符合直齿轮的传动规律。
4 传动轴的有限元仿真分析
建立有限元模型 选取减速器的输出轴，以X.T格式导入ANSYS Workbench，轴材料选用40Gr钢，为在ANSYS中统一单位，设置泊松比为0.3，杨氏弹性模量为2.1×105 MPa，材料密度为7.85×10-9 t/mm3。选用SOLID 185单元和智能网格划分工具进行网格划分，类型选为结构网格，经计算得到143 381个节点，101 025个单元，有限元模型最终如图4所示。
关键词 ADAMS；ANSYS Workbench；减速器；仿真
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）20-0016-04
Application of ADAMS and ANSYS Workbench in Teaching of Decelerator Curriculum Design//LI Xiang
Abstract ADAMS and ANSYS Workbench were used to an auxi-liary teaching of cylindrical gear decelerator curriculum design， the movement of the mechanism and deformation were showed to students with a form of visualization. The kinematic simulation of gear decelerator was completed with ADAMS， the static and modal analysis of output shaft were completed with ANSYS Workbench， and the corresponding results were gotten， the error was in the allowable range compared with the theoretical value， so the simulation results were believed to be reasonable.
Key words ADAMS； ANSYS Workbench； decelerator； simulation
1 前言
减速器作为机械传动的一种重要形式，广泛运用于汽车、航空、石化、船舶、矿山开采等各个领域，对动力传递的效率与可靠性具有重要影响。鉴于此，减器速的设计在企业研发和高校机械专业的教学过程中占据着特殊位置。减速器设计过程涉及齿轮的传动比设计、齿轮与轴的设计与校核、寿命设计等，减速器的性能与上述过程直接相关。减速器作为大学生的课程设计之一，是培养学生学习和运用知识的平台，对学生在专业知识方面的融会贯通与科技创新具有重要影响，传统教学中主要依靠教师对减速器各零部件的讲解，采用纯理论的方法对各部件进行设计与校核，不仅枯燥无妹，且缺少标准让学生校对计算结果。在教学过程中采用先进的方法与工具以可视动画[1]的形式向学生展示物理现象，对提高学生积极性与培养创新能力，加深对现象的理解具有重要作用。
减速器的运动与受力分析实验需要光电编码器、中央处理器（如单片机、PLC、ARM）与应力应变分析仪等设备，而普通本科生很难接触到这些设备，且材料费与设备磨损费较昂贵，使得进行相关实验变得困难。随着计算机技术的突破，可视化数值模拟技术应运而生并迅猛发展，广泛运用于运动学、刚体动力学、CFD流体动力学、有限元结构分析等领域，与物理实验相比，具有效率高、重复性好、成本低的特点。ADAMS[2]是应用最广泛的刚体动力学软件，擅长运动学与刚体动力学分析，ANSYS[3]在CAE分析方面独领风骚，因此在缺乏相关实验设备的情况下，ADAMS与ANSYS Workbench对减速器的设计与校核具有非常重要的意义。
2 减速器的设计与理论校核
本文的设计思路是以一级圆柱齿轮减速器课程设计为依托，根据机械原理与传动理论完成减速器各零部件的设计，并对轴与齿轮进行校核[4]，再分别利用ADAMS与ANSYS Workbench完成运动学分析与有限元结构分析，通过与理论计算值的对比，以更直观的效果向学生展示分析结果，促进学生对知识的认知与理解。以普通课程设计中的带式运输机为例，如图1所示，设计参数如表1所示。
根据设计参数计算输入轴的功率和转速，并以此为依据选取合适的电机，计算带传动与减速器传动比，确定圆柱直齿轮的参数，设计阶梯轴等零件，完成传动装置的运动与动力参数计算，对齿轮与轴进行强度校核，部分计算结果如表2所示。
3 减速器的运动学仿真分析
完成减速器各零件的设计计算后，利用PROE建立减速器的三维模型，如图2所示。将模型以X.T格式导入ADAMS，为各零件添加合适的材料，设置工作环境与零件间的约束，ADAMS运动学分析要求机构自由度为0，故为输入轴添加旋转驱动，其随时间的变化规律如图3中int_ang_vel曲线，设置仿真时间10秒，步长为100。
图3中out_ang_vel曲线表示了输出轴转速的变化规律。由图3可知输入输出轴的转动方向相反，符合圆柱直齿轮的啮合规律；输出轴的转速具有较好的跟随性，沿一斜坡函数逐渐增大直至稳定值，稳定后输出轴转速为554.38?/s，即92.39 r/min，与理论计算值的相对误差为1.848%，在可接受范围内，故认为符合直齿轮的传动规律。
4 传动轴的有限元仿真分析
建立有限元模型 选取减速器的输出轴，以X.T格式导入ANSYS Workbench，轴材料选用40Gr钢，为在ANSYS中统一单位，设置泊松比为0.3，杨氏弹性模量为2.1×105 MPa，材料密度为7.85×10-9 t/mm3。选用SOLID 185单元和智能网格划分工具进行网格划分，类型选为结构网格，经计算得到143 381个节点，101 025个单元，有限元模型最终如图4所示。