大高宽比典型微型传动元件的研究
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摘要
微型机械的不断发展，使得微型机械的设计和理论研究成为机械行业又一个崭新的课题。本文主要应用先进的计算机技术和有限元理论，在MEMS领域对微型齿轮进行了参数设计、受力状况分析及应力作用结果图像处理。首先，根据模数m＜0.1mm的微型齿轮自身的特点，建立微型齿轮啮合模型，进行参数计算。尤其是把握了微型齿轮变位系数的选择，编制了C++计算机程序。在ANSYS环境下，利用所得到的微型变位齿轮齿廓上点的坐标，获得其二维平面模型，通过拉伸特性得到具有大高宽比的微型齿轮三维实体模型。
对微型齿轮的三维有限元网格模型进行约束处理和施加载荷，配备材料特性参数，选用三维块状单元，对微型齿轮进行有限元计算、分析，得到在外力作用下，齿轮模块各节点所受到的应力和在此应力作用下各节点的位移。
应用ANSYS5.61软件对微型齿轮的有限元分析结果进行图像处理，可视化地观察微型齿轮有限元分析单元的应力状况、位移变化，从而方便、清晰地寻找最大应力单元，判断微型齿轮受载的状况。
本文应用先进的算法思想与计算机软件有机结合起来，编制计算、图形程序，对微型齿轮零件进行三维仿真处理，得到了较为理想的齿轮受力分析结果。为微型传动元件的研究奠定了一定的理论基础。
With the development of micro-machine, it's design and theory study is becoming a completely new study in the field of machine. In the field of MEMS, using the advanced computer technology and finite element method (FEM), micro-gear's parameter design is discussed in this paper, enduring force condition is analyzed and pictures of stress effecting result are processed. Firstly, according to the characters of micro-gear with the "m" which is smaller than 'KTV' , meshing model of micro-gear is set up and it's characters are calculated. Especially for the selection of micro-gear's deflection coefficient, the C++ computer program is programmed. In the environment of ANSYS, with the dots' coordination values of micro-gear what we have got, the two direction model is got, through the "Protrusion" the micro-gear's three direction model with large ratio between height and width is got.
Restrain conditions and loads is exerted on the 3D analysis finite element model, material characteristic parameters are provided and 3D brick unit are selected, the FEM calculation and analysis is done to get every pot's stress of micro-gear model and the displacement under the stress what we have got.
The finite element results are processed with the software of ANSYS5.61. By this method, the stress ? displacement and the biggest stress element can be observed on the screen expediently, so the micro-gear's load condition can be analyzed .
With the good combination of the advanced algorithm and software, the calculating and modeling programs are made to do 3D imitating processing of micro-gear successfully and
get the perfect analyzing results, which are made the foundation for the theory study of micro-machine.
对微型齿轮的三维有限元网格模型进行约束处理和施加载荷，配备材料特性参数，选用三维块状单元，对微型齿轮进行有限元计算、分析，得到在外力作用下，齿轮模块各节点所受到的应力和在此应力作用下各节点的位移。
应用ANSYS5.61软件对微型齿轮的有限元分析结果进行图像处理，可视化地观察微型齿轮有限元分析单元的应力状况、位移变化，从而方便、清晰地寻找最大应力单元，判断微型齿轮受载的状况。
本文应用先进的算法思想与计算机软件有机结合起来，编制计算、图形程序，对微型齿轮零件进行三维仿真处理，得到了较为理想的齿轮受力分析结果。为微型传动元件的研究奠定了一定的理论基础。
With the development of micro-machine, it's design and theory study is becoming a completely new study in the field of machine. In the field of MEMS, using the advanced computer technology and finite element method (FEM), micro-gear's parameter design is discussed in this paper, enduring force condition is analyzed and pictures of stress effecting result are processed. Firstly, according to the characters of micro-gear with the "m" which is smaller than 'KTV' , meshing model of micro-gear is set up and it's characters are calculated. Especially for the selection of micro-gear's deflection coefficient, the C++ computer program is programmed. In the environment of ANSYS, with the dots' coordination values of micro-gear what we have got, the two direction model is got, through the "Protrusion" the micro-gear's three direction model with large ratio between height and width is got.
Restrain conditions and loads is exerted on the 3D analysis finite element model, material characteristic parameters are provided and 3D brick unit are selected, the FEM calculation and analysis is done to get every pot's stress of micro-gear model and the displacement under the stress what we have got.
The finite element results are processed with the software of ANSYS5.61. By this method, the stress ? displacement and the biggest stress element can be observed on the screen expediently, so the micro-gear's load condition can be analyzed .
With the good combination of the advanced algorithm and software, the calculating and modeling programs are made to do 3D imitating processing of micro-gear successfully and
get the perfect analyzing results, which are made the foundation for the theory study of micro-machine.
引文
[1] 王国强。实用工程数值模拟计算及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社。
[2] [波]W.泰拉林斯基。微型机械与精密仪器，机械工业出版社。
[3] 苑伟政，马炳和。微机械与微加工技术，西北工业大学出版社。
[4] R.H.Gallagher. Finite Element Analysis Fundamentals, Prentice Hall hic. New Jersey, 1975。
[5] O.C.Zienkiewicz. The Finite Element Method in Engineering Science.McGraw-Hill Book Co., Ltd., London 1975。
[6] Cary Stix. Micromechanical Devices Edge Toward Commerical Uses.Scientific American, 1991, 265(9):45～50。
[7] Kaneko R.Microtriology. JSME International Journal, Series C.,1994, 37(1): 1～6。
[8] 陈文元，张卫平，范志荣。微3K-2型行星齿轮减速器中微齿轮啮合模型和参数计算，上海交通大学学报，Vol．34 No．3，2000：381～383。
[9] 徐锦林。微机械及其研究，中国机械工程。Vol．4，NO．3，1998：22～25。
[10] 朱伯芳。有限单元法原理与应用，北京：水利电力出版社，1979。
[11] 周兆英，才海男等。微机械技术发展现状，Vol．29，NO．6，Dec．1997：57～61。
[12] Stark K C, Mehregany M, Philips S M. Analysis of gear tooth performance of mechanically-coupled, puter-rotornpolysilicon micromotors. In: Bhushan B ed. Proceeding of Tribology Issues and Opportunities in MEMS, Ohio, 1997,175～184
[13] 程景柏，屠海令等。CZ硅大直径缩颈生长及其抗拉性能研究，全国半导体硅材料学术会议，西安，2000／10：16～18。
[14] 魏铁华，杨晓红。微机械及其相关理论和技术，水利电力机械，1997(7)：31～35。
[15] 朱孝录，鄂中凯等。齿轮承载能力分析，北京：高等教育出版社。
[16] 王祖城，汪家才。弹性和塑性理论有限单元法，冶金工业出版社。
[17] 黄锡恺，郑文纬。机械原理(第6版)，北京：高等教育出版社，1999，216～219。
[18] 濮良贵，纪名刚。机械设计，北京：高等教育出版社。
[19] 刘鸿文。材料力学(上下册)，北京：高等教育出版社。
[20] 温诗铸，丁建宁。微型机械设计基础研究。机械工程学报，36(7)，2000：39～42。
[21] 许尚贤。机械设计中的有限元，北京：高等教育出版社。
[22] 李开泰，黄艾香，黄庆怀。有限元方法及其应用，西安交通大学出版社。
[23] 温诗铸，李娜。微型机械与纳米机械学研究，中国机械工程，Vol7，1996(2)：17～21。
[24] Schroeder W J. A Combined Octree/Delaunay Method for Full Automatic 3-D Mesh Generation, Int. J. Number Meth. Eng., 1990,29(1): 37～55。
[25] 李华敏，王知行。渐开线齿轮的几何原理与计算，机械工业出版社，1985。
[26] 王国强。实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社。
[27] 李启炎等。三维CAD设计及制图教程，同济大学出版社。
[28] 蔡鹤皋，孙立宁，安辉等。微型机械和微机器人的发展状况，1995，6(1)：38～41。
[29] 陈文元，丁涛等。用于φ2mm电磁性微马达的微3K-2型齿轮减速器的研究[J]，微细加工技术，1997(4)：49～54。
[30] Konei Horl. Development of ultra-small sized servo actuator with brushless DC motor planetary gear drive and optical rotary encoder [J]. Int. J. Japan Soc. Prec,Eng。1997, 31(1)。
[31] Digits of Technical Papers from The 8~(th) International Conference on Solid-Sensors and Actuators and EurosensorsIX, 1995, 1: 35～833。
[32] 李景润。有限元法，北京邮电大学出版社。
[33] 陈敬一，蔡国忠。电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社。
[35] 章吉良，杨春生。微机电系统及其相关技术，上海交通大学出版社。
[36] [美]J.E.艾金。有限元法的应用与实现，科学出版社，1992。
[37] 朱孝录，鄂中凯 主编。齿轮承载能力分析，高等教育出版社，1992。
[2] [波]W.泰拉林斯基。微型机械与精密仪器，机械工业出版社。
[3] 苑伟政，马炳和。微机械与微加工技术，西北工业大学出版社。
[4] R.H.Gallagher. Finite Element Analysis Fundamentals, Prentice Hall hic. New Jersey, 1975。
[5] O.C.Zienkiewicz. The Finite Element Method in Engineering Science.McGraw-Hill Book Co., Ltd., London 1975。
[6] Cary Stix. Micromechanical Devices Edge Toward Commerical Uses.Scientific American, 1991, 265(9):45～50。
[7] Kaneko R.Microtriology. JSME International Journal, Series C.,1994, 37(1): 1～6。
[8] 陈文元，张卫平，范志荣。微3K-2型行星齿轮减速器中微齿轮啮合模型和参数计算，上海交通大学学报，Vol．34 No．3，2000：381～383。
[9] 徐锦林。微机械及其研究，中国机械工程。Vol．4，NO．3，1998：22～25。
[10] 朱伯芳。有限单元法原理与应用，北京：水利电力出版社，1979。
[11] 周兆英，才海男等。微机械技术发展现状，Vol．29，NO．6，Dec．1997：57～61。
[12] Stark K C, Mehregany M, Philips S M. Analysis of gear tooth performance of mechanically-coupled, puter-rotornpolysilicon micromotors. In: Bhushan B ed. Proceeding of Tribology Issues and Opportunities in MEMS, Ohio, 1997,175～184
[13] 程景柏，屠海令等。CZ硅大直径缩颈生长及其抗拉性能研究，全国半导体硅材料学术会议，西安，2000／10：16～18。
[14] 魏铁华，杨晓红。微机械及其相关理论和技术，水利电力机械，1997(7)：31～35。
[15] 朱孝录，鄂中凯等。齿轮承载能力分析，北京：高等教育出版社。
[16] 王祖城，汪家才。弹性和塑性理论有限单元法，冶金工业出版社。
[17] 黄锡恺，郑文纬。机械原理(第6版)，北京：高等教育出版社，1999，216～219。
[18] 濮良贵，纪名刚。机械设计，北京：高等教育出版社。
[19] 刘鸿文。材料力学(上下册)，北京：高等教育出版社。
[20] 温诗铸，丁建宁。微型机械设计基础研究。机械工程学报，36(7)，2000：39～42。
[21] 许尚贤。机械设计中的有限元，北京：高等教育出版社。
[22] 李开泰，黄艾香，黄庆怀。有限元方法及其应用，西安交通大学出版社。
[23] 温诗铸，李娜。微型机械与纳米机械学研究，中国机械工程，Vol7，1996(2)：17～21。
[24] Schroeder W J. A Combined Octree/Delaunay Method for Full Automatic 3-D Mesh Generation, Int. J. Number Meth. Eng., 1990,29(1): 37～55。
[25] 李华敏，王知行。渐开线齿轮的几何原理与计算，机械工业出版社，1985。
[26] 王国强。实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社。
[27] 李启炎等。三维CAD设计及制图教程，同济大学出版社。
[28] 蔡鹤皋，孙立宁，安辉等。微型机械和微机器人的发展状况，1995，6(1)：38～41。
[29] 陈文元，丁涛等。用于φ2mm电磁性微马达的微3K-2型齿轮减速器的研究[J]，微细加工技术，1997(4)：49～54。
[30] Konei Horl. Development of ultra-small sized servo actuator with brushless DC motor planetary gear drive and optical rotary encoder [J]. Int. J. Japan Soc. Prec,Eng。1997, 31(1)。
[31] Digits of Technical Papers from The 8~(th) International Conference on Solid-Sensors and Actuators and EurosensorsIX, 1995, 1: 35～833。
[32] 李景润。有限元法，北京邮电大学出版社。
[33] 陈敬一，蔡国忠。电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社。
[35] 章吉良，杨春生。微机电系统及其相关技术，上海交通大学出版社。
[36] [美]J.E.艾金。有限元法的应用与实现，科学出版社，1992。
[37] 朱孝录，鄂中凯 主编。齿轮承载能力分析，高等教育出版社，1992。