齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式，由于其结构复杂、制造和安装精度要求高，其结构设计及优化一直是一个难点问题。目前的齿轮设计方法大多采用经验法和近似计算，难以实现齿轮传动的精确设计与优化。本著作对圆柱齿轮传动的智能设计与数字化仿真分析技术进行了系统研究与实现。首先根据齿轮传动原理实现圆柱齿轮传动的参数化初步设计及强度校核，然后基于精确约束条件对齿轮传动进行结构优化与变位系数优选。为了对圆柱齿轮传动的啮合性能及强度进行精确分析，利用现代CAD技术与CAE技术，在ANSYS平台下实现了圆柱齿轮传动的参数化实体建模与参数化瞬态啮合仿真分析，精确获取齿轮传动过程中任意位置的啮合特性，为齿轮副的疲劳寿命分析及进一步优化提供依据。

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　　齿轮机构是各种机械设备中应用最广的动力和运动传动装置之一，并且通常是这些设备的关键部件，其工作性能与寿命直接影响设备的整机性能与寿命。与其他常用机构相比，齿轮机构结构复杂、制造和安装精度要求高、受工作环境的影响大，其结构设计及优化问题一直是机械制造领域的难点问题。随着现代科技的迅猛发展和先进制造技术的持续进步，机械产品的开发向轻量化、智能化和柔性化方向发展，制造企业和相关技术人员必须快速响应市场需求，及时高效地提供高性能、长寿命、低成本、易维护的具有市场竞争力的产品。渐开线圆柱齿轮传动作为最常用、最典型的齿轮传动机构之一，其设计制造的智能化水平对机械产品开发的智能化发展具有至关重要的作用。随着先进制造工艺和制造装备的不断发展，渐开线圆柱齿轮传动的制造工艺与装备取得了长足的进步，但是受其结构及工作性能复杂性的影响，在设计方法和手段方面仍相对滞后，目前仍以传统的经验设计作为主要设计手段，不能适应当前产品开发智能化、轻量化发展的要求，因此提高渐开线圆柱齿轮传动的智能化设计水平是制造业智能化、信息化发展的必然要求。计算机仿真技术和有限元技术的快速发展与广泛应用有效弥补了传统机械设计方法难以精确分析复杂外形零件受载、变形等工作特性的缺陷，为齿轮等复杂产品零件的设计计算与仿真分析提供了行之有效的工具。

目录
前言
第1章 概述 1
1.1渐开线圆柱齿轮传动及其应用特点 1
1.2渐开线圆柱齿轮传动参数化设计及优化技术 2
1.2.1渐开线圆柱齿轮传动参数化设计 9
1.2.2渐开线圆柱齿轮结构优化 3
1.2.3渐开线圆柱齿轮变位系数优选 5
1.3渐开线圆柱齿轮传动仿真分析技术 6
1.3.1渐开线圆柱齿轮参数化实体建模 6
1.3.2渐开线圆柱齿轮静接触分析 7
1.3.3渐开线圆柱齿轮瞬态啮合仿真分析 8
1.4本章小结 9
参考文献 9
第2章 渐开线圆柱齿轮传动参数化设计及强度校核 14
2.1参数化设计及强度校核的总体流程 14
2.2渐开线圆柱齿轮传动参数化初步设计 15
2.2.1初步设计的详细流程 15
2.2.2齿轮传动参数化设计的实现过程 19
2.3初步设计及强度校核过程中的数据白动查取 22
2.3.1初步设计及强度校核过程巾的数据处理方法 22
2.3.2 工程数据自动查取的实现 23
2.3.3 工程数据处理的细节问题 29
2.4本章小结 30
参考文献 30
第3章 基于精确约束条件的渐开线圆柱齿轮结构优化 31
3.1渐开线圆柱齿轮结构优化的理论基础 31
3.1.1优化变量 31
3.1.2目标函数 31
3.1.3约束条件 32
3.2基于精确约束条件的渐开线圆柱齿轮结构优化方法 33
3.2.1渐开线圆柱齿轮结构优化巾的强度约束条件分析 33
3.2.2精确约束条件优化方法的实现过程 36
3.3两级渐开线圆柱齿轮联合优化问题的数学模型 38
3.3.1联合优化问题的优化变量 38
3.3.2联合优化问题的目标函数 39
3.3.3联合优化问题的约束条件 40
3.3.4两级传动联合优化的细节问题 44
3.4两级渐开线圆柱齿轮结构优化及对比分析 45
3.4.1两级渐开线网柱齿轮结构优化计算 45
3.4.2与传统优化方法的对比分析 46
3.5本章小结 47
参考文献 48
第4章 渐开线圆柱齿轮变位系数的优选 49
4.1变位系数对齿轮强度的影响及选择原则 49
4.1.1变位系数对齿轮强度的影响 49
4.1.2变位系数的常用选择原则 49
4.2渐开线圆柱齿轮变位系数优选的数学模型 52
4.2.1渐开线圆柱齿轮变位系数优选的实现52
4.2.2变位系数优选问题的优化变量 52
4.2.3变位系数优选问题的目标函数 53
4.2.4变位系数优选问题的约束条件 53
4.3单级渐开线圆柱齿轮变位系数优选及对比分析 55
4.3.1单级渐开线圆柱齿轮变位系数优选计算 55
4.3.2与传统优选方法的对比分析 58
4.4本章小结 59
参考文献 59
第5章 基于B样条曲面的渐开线圆柱齿轮精确建模 60
5.1面向CAE分析的渐开线网柱齿轮精确造型方法 60
5.1.1渐开线圆柱齿轮齿廓曲面成形原理 60
5.1.2渐开线圆柱齿轮参数化精确建模方法 65
5.2基于均匀双三次B样条插值的齿面造型 66
5.2.1基于IGES接口的均匀双三次B样条曲面插值技术 66
5.2.2渐开线圆柱齿轮齿面点阵的提取 68
5.2.3齿轮齿廓曲面的形成 72
5.3基于IGES曲面与APDL命令流的齿轮实体建模 74
5.3.1 APDL实现齿轮建模参数化的方法 74
5.3.2渐开线圆柱齿轮实体模型的生成 74
5.4渐开线圆柱齿轮参数化无侧隙啮合装配 80
5.5本章小结 83
参考文献 83
第6章 渐开线圆柱齿轮传动啮合仿真分析 85
6.1齿轮啮合仿真分析方法 85
6.1.1齿轮啮合弹性接触基本原理 85
6.1.2齿轮啮合仿真分析实施步骤 87
6.2渐开线圆柱齿轮传动有限元建模 88
6.2.1基于重合度的齿轮副简化实体建模 89
6.2.2齿轮副自适应映射网格模型生成 90
6.2.3齿轮副齿面接触模拟 98
6.3渐开线圆柱齿轮瞬态啮合仿真分析 101
6.3.1瞬态啮合分析实现方法 101
6.3.2瞬态啮合性能分析 104
6.4渐开线圆柱齿轮副任意啮合位置静接触分析 112
6.4.1齿轮副任意位置啮合的实现方法 112
6.4.2齿轮副静接触分析 115
6.5本章小结 118
参考文献 118
第7章 影响渐开线圆柱齿轮仿真分析的关键因素 119
7.1影响齿轮啮合仿真分析的主要因素 119
7.2齿轮结构参数对啮合性能的影响 123
7.2.1齿根圆角半径的影响 123
7.2.2齿宽的影响 128
7.3计算参数对齿轮啮合仿真的影响 130
7.3.1 网格密度的影响 130
7.3.2载荷系数的影响 133
7.3.3摩擦系数的影响 135
7.3.4接触刚度系数的影响 140
7.4本章小结 144
参考文献 144
第8章 渐开线圆柱齿轮传动智能设计及仿真分析系统开发146
8.1系统的开发思路及总体框架 146
8.1.1开发思路 146
8.1.2总体框架 147
8.1.3各模块功能简介 148
8.1.4系统开发T具及运行环境 150
8.2渐开线圆柱齿轮传动参数化结构设计及优化系统开发153
8.2.1 目标函数及约束条件 153
8.2.2优化算法的选择及设置 153
8.2.3优化模块动态链接库文件的生成 154
8.3 面向ANSYS应用平台的渐开线圆柱齿轮啮合仿真分析系统开发 156
8.3.1 ANSYS参数化设计语言 156
8.3.2系统与ANSYS平台的参数交互 157
8.3.3应用实例 164
8.4本章小结194
参考文献 195
附录196

《渐开线圆柱齿轮传动智能设计及啮合仿真分析》：
　　1.2渐开线圆柱齿轮传动参数化设计及优化技术
　　1.2.1渐开线圆柱齿轮传动参数化设计
　　与大多数机械零件相比，齿轮机构的设计比较复杂，不仅涉及齿数、压力角、中心距等数十个结构参数，还需考虑载荷、工作环境等工况参数，设计过程中需同时满足齿根弯曲、齿面接触等多种强度准则，计算量大且需要使用大量的经验公式，因此采用传统的手工设计方法过程繁杂、效率低、不适于后续的改进与结构优化。多年来，国内外许多学者与工程技术人员基于不同的应用平台和编程环境，对渐开线圆柱齿轮传动的数字化设计及智能技术进行了大量研究，尤其是在参数化设计与校核方面取得了大量研究成果。南京航空航天大学李迪根据齿轮强度计算的国家标准，在MATLAB环境下分别实现了行星齿轮齿面接触强度、齿根弯曲强度校核的计算，并开发了齿轮强度计算模块。合肥工业大学黄康等利用C语言开发了齿轮强度计算数据库，对涉及齿轮强度计算的表格、线图实现了规范化管理，并基于该数据库结合CAD技术开发了齿轮传动设计系统，可根据设计数据自动生成工程图。王英姿等对齿轮传动参数化设计过程中的数据处理问题以及系统构建问题进行了研究，对设计过程中的数表处理、线图的表达、设计参数的圆整处理等内容进行了研究与实现，最后在Visual Basic（VB）环境下开发出了齿轮传动参数化设计系统，有效提高了齿轮设计效率。强增、陈定方、殷国富、翁妙风等先后对齿轮传动设计专家系统进行了研究和开发，解决了专家系统知识库、数据库、推理机制策略构建等诸多关键问题，实现了齿轮传动的方案自动设计、强度自动校核等功能。肖志信、朱学凯、贺艳、于春丽等先后在VB集成开发环境下，基于参数化、模块化设计思想，实现了齿轮传动设计中各种表格和线图的查询与提取，开发了具有良好人机界面的齿轮传动设计系统，有效提高了设计效率与质量，大大降低了设计工作中的数据查阅及计算强度。罗斐分析了齿轮传动设计过程中图表数据的特点，提出了对国家标准和设计手册中的相关数据、公式、表格、曲线进行程序化处理的有效方法。太原理工大学刘晓洁基于齿轮传动的快速设计理论、方法和技术，以Access作为数据库，同样在VB环境下开发了齿轮传动比优化分配模块，可以根据用户的需求自动选择齿轮传动类型及几何参数，并通过后续的三维建模处理，实现了渐开线齿轮设计、校核、建模及装配的一体化。在齿轮系统开发及应用方面，郑州机械研究所以渐开线圆柱齿轮减速器为研究对象，经过多年的研究，自主开发了齿轮传动参数化设计系统，该系统不仅可以实现齿轮参数的设计与计算，还具有计算机绘图功能，为减速器的设计和生产提供了高效、可靠的工具。此外，南京华强时代软件工程有限公司采用国内外最新标准，结合国内外齿轮最新研究成果和实践经验开发的渐开线圆柱齿轮设计专家系统，具有原始设计、精度计算、强度校核及齿轮测绘等功能模块。