一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法

1.本发明属于齿轮传动及啮合分析领域技术领域，具体涉及一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法。


背景技术：

2.齿轮作为典型的具有复杂曲面的零部件，广泛应用于各类机械产品的传动过程中，在齿轮啮合过程中，齿面的接触应力、载荷等都会对齿轮的啮合动态性能产生影响。随着光学仪器的发展，基于非接触式的齿轮三维误差测量技术是未来齿轮测量的主要方式，其中，线激光传感器可以通过扫描齿面点云数据信息用于重构齿轮真实模型，进而建立齿轮副数字孪生模型，达到孪生啮合目的。运用测量技术重构齿轮真实模型，并建立齿轮副孪生啮合模型，进而分析齿轮啮合的动态特性，得到齿轮传动过程的应力、应变等结果，对于进一步改善齿轮相关设计和使用性能等具有重大意义。
3.从已公开的论文和专利中，不难看出，目前齿轮传动及啮合分析的研究较为成熟，多数基于参数化建模对齿轮啮合过程进行分析。例如，已公开的专利《一种基于有限元的全参数化齿轮啮合分析方法》利用anysy软件对齿轮进行参数化设计，再通过两个齿轮的装配和接触分析，得到齿轮啮合结果；《一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法》针对非圆齿轮，进行了齿轮动态啮合分析，同样使用参数化建模方式；已公开发表的期刊论文《基于数字孪生的航天产品自适应装调方法研究》通过装配体关键特性分析、识别与测量快速构建装配体孪生模型，采用多传感器对产品装配状态进行实时测量和虚实同步，由孪生模型驱动进行可装配性仿真分析、装配路径动态规划与精准控制；专利《基于齿轮点云数据的齿轮副传动误差计算方法》将非接触式测量与齿轮传动的计算、齿面接触分析相结合，获得齿轮副传动误差，该方法为齿轮啮合的动态接触特性分析奠定了基础。
4.将非接触式测量、数字孪生技术和齿轮动态接触特性分析相结合，是优化齿轮使用性能问题的一个新突破，只有更加真实的反映出齿轮传动过程中的动态接触特性，才能进一步改进齿轮从设计、制造以及应用中的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，将非接触式测量、数字孪生技术和齿轮动态接触特性相结合，提供面向齿轮孪生建模的理论方法，基于提出的孪生啮合方法，建立针对齿轮啮合过程实时同步的、高精度特征的孪生啮合模型，为齿轮动态接触特性分析提供依据。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，包括如下步骤：
8.步骤1：对啮合过程中的齿轮副进行动态测量；
9.步骤2：对齿轮副建立孪生几何模型；
10.步骤3：将齿轮副孪生几何模型导入cae软件，添加物理属性、约束、特征信息，建立
齿轮副物理模型；
11.步骤4：获取齿轮孪生啮合过程中齿面接触区域的应力、应变、压力、转速和位移，并进行分析。
12.优选的，步骤1中所述的对啮合过程中的齿轮副进行动态测量的具体步骤包括：
13.s1.1，对啮合过程的齿轮副进行特征分析，确定其位置关系、配合关系和外形设计，建立齿轮副理论模型；
14.s1.2，基于非接触式测量技术，采用三维扫描仪对啮合过程的齿轮副进行高精度动态测量，生成齿轮啮合过程中齿面的实时点云数据，建立齿轮副实测模型。
15.优选的，步骤2中所述的对齿轮副建立孪生几何模型的具体步骤包括：
16.s2.1，构建基于孪生信息的时序数据库；
17.s2.2，结合齿轮副实测模型，经所述基于孪生信息的时序数据库生成齿轮副实测模型误差曲面，在齿轮副理论模型的基础上，对模型快速重构与集成，建立齿轮副孪生啮合几何模型，支撑齿轮动态接触特性分析。
18.进一步的，所述的s2.1中构建基于孪生信息的时序数据库的具体步骤包括：
19.s2.1.1预处理：导入齿轮副实测模型数据，进行动态数据预处理；具体处理方法为：去除干扰噪点，保留齿面误差特征，获得预处理实测模型数据；
20.s2.1.2拟合：基于所述预处理实测模型数据生成实测模型误差曲面；
21.s2.1.3存储：所述实测模型误差曲面用于模型的重构与集成，同时进行信息储存。
22.进一步的，所述的s2.1.1中动态数据预处理的具体处理方法为：去除干扰噪点，保留齿面误差特征，获得预处理实测模型数据。
23.进一步的，所述步骤s2.2中对模型快速重构与集成，建立齿轮副孪生啮合几何模型的步骤包括：以所述基于孪生信息的时序数据库处理拟合后的所述实测模型误差曲面作为输入，与所述齿轮副理论模型进行集成，且所述齿轮副实测模型在此过程中能够迭代更新，先前的实测模型被更新的实测模型取代，反映齿轮啮合过程中齿面的实际形貌特征，建立齿轮副孪生啮合几何模型，支撑后续齿轮动态接触特性分析。
24.更进一步的，所述齿轮副孪生啮合几何模型的表达式可定义为：
25.geometry_model＝{theory_model，actual_model}。
26.所述齿轮副实测模型为实时迭代更新，其过程用表达式可定义为：
27.actual_model＝{(n，n)actual_model，(n+1，n)actual_model}；
28.式中，(n，n)为所述第n圈-第n齿，(n+1，n)为更新后第n+1圈-第n齿。
29.优选的，步骤3中所述的物理属性、约束和特征信息包括：泊松比、密度、弹性模量、摩擦因数、接触方式和接触参数、平动和转动自由度、转速值和阻力矩值。
30.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
31.本发明将非接触式测量、数字孪生技术和齿轮动态接触特性分析相结合，更加真实、准确、直观的反映出齿轮传动性能，从而进一步改善齿轮从设计到制造再到应用上的研究；通过非接触式测量能直接得到齿轮真实三维模型，避免了通过数值计算的方法对齿轮制造误差进行求解；基于提出的孪生啮合方法，建立针对齿轮啮合过程实时同步的、高精度特征的孪生啮合模型，有效避免了现实空间中人工装配和操作带来的安装误差等，为齿轮动态接触特性分析提供依据；基于cae软件对齿轮传动过程进行运动学和动力学分析，避免
了复杂程序的编写，并且更加直观的获取齿轮啮合过程中应力、应变等结果的变化趋势；该方法同样适用于非圆齿轮的动态接触特性分析。
附图说明
32.图1是本发明的流程示意图；
33.图2是非接触式测量扫描点云模型；
34.图3是非接触式测量齿面数据处理后模型；
35.图4是本发明的虚实映射机制示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
37.如图1所示，本实施例给出一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，包括以下步骤：
38.步骤1、对啮合过程中的齿轮副进行动态测量，具体步骤包括：
39.s1.1，对啮合过程的齿轮副进行特征分析，确定其位置关系、配合关系和外形设计，建立齿轮副理论模型；
40.s1.2，基于非接触式测量技术，采用三维扫描仪对啮合过程的齿轮副进行高精度动态测量，生成齿轮啮合过程中齿面的实时点云数据，建立齿轮副实测模型，如图2所示。
41.步骤2、对齿轮副建立孪生几何模型，具体步骤包括：
42.s2.1，构建基于孪生信息的时序数据库，具体包括：预处理、拟合和储存三大功能；且其工作流程及具体实现为：导入齿轮副实测模型数据，进行动态数据预处理，齿轮副实测模型动态导入后，进行预处理阶段，去除干扰噪声点，保留齿面误差特征，获得预处理实测模型数据；预处理阶段结束后，进行拟合阶段，基于预处理实测模型数据生成实测模型误差曲面；拟合阶段结束后，实测模型误差曲面用于模型的重构与集成，同时进行信息储存。其中，齿轮副实测模型为实时测量的齿轮齿面点云数据，具体记录形式为第n圈-第n齿；
43.s2.2，结合齿轮副实测模型，对模型快速重构与集成，建立齿轮副孪生啮合几何模型，具体过程为：经基于孪生信息的时序数据库处理拟合后的所述实测模型误差曲面，作为输入，与齿轮副理论模型进行集成，且齿轮副实测模型在此过程中能够迭代更新，先前的实测模型被更新的实测模型取代，反映齿轮啮合过程中齿面的实际形貌特征，从而建立齿轮副孪生啮合几何模型，支撑后续齿轮副动态接触特性分析，非接触式测量齿面数据处理后模型如图3所示。
44.齿轮副孪生啮合几何模型，主要由所述齿轮副理论模型和所述齿轮副实测模型组成，其表达式可定义为：
45.geometry_model＝{theory_model，actual_model}。
46.齿轮副实测模型为实时迭代更新，其过程用表达式可定义为：
47.actual_model＝{(n，n)actual_model，(n+1，n)actual_model}。
48.式中，(n，n)为所述第n圈-第n齿，(n+1，n)为更新后第n+1圈-第n齿。
49.步骤3、将齿轮副孪生几何模型保存为iges格式，导入ansys软件，进行网格划分；
在element type模块里定义solid网格单元；在material models模块里设置泊松比、密度、弹性模量，在friction coefficient模块里设置合理的摩擦因数，完成对材料属性的定义；在mesh tool模块里设置网格尺寸，对齿轮轴孔进行面网格划分，对齿轮整体进行体网格划分；在contact模块里定义主、从动轮接触，选取主动轮啮合面为接触面，从动轮啮合面为目标面，设置接触方式和接触参数，创建接触对；在boundary模块里分别对齿轮内圈x、y、z三个方向的平动和转动自由度进行约束；在revolute模块里创建转动副连接关系，选取齿轮的内表面，分别创建两个转动副；对主动轮施加运动副载荷，类型为匀速的角速度，并设置转速值；对从动轮施加运动副载荷，类型为恒定扭矩，设置相应的阻力矩值；在analysis-settings模块里定义求解时间、初始子步、最小子步、最大子步，进行求解计算。
50.步骤4：查看求解结果，获取齿轮孪生啮合过程中齿面接触区域的应力、应变、压力、转速和位移，并进行分析，得到轮齿啮合过程中不同位置的动态特性变化趋势。
51.步骤4中孪生啮合，是指针对齿轮副动态啮合过程，基于齿轮副几何模型、物理模型构建高保真孪生啮合模型，实现对齿轮副动态啮合过程的实时刻画和映射。
52.此建模方法中，物理实体模型与孪生模型之间的虚实映射机制如图4所示，孪生数据库作为信息交互的中间模块起到基于实时数据的虚实映射作用。
53.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对啮合过程中的齿轮副进行动态测量；步骤2：对齿轮副建立孪生几何模型；步骤3：将齿轮副孪生几何模型导入cae软件，添加物理属性、约束、特征信息，建立齿轮副物理模型；步骤4：获取齿轮孪生啮合过程中齿面接触区域的应力、应变、压力、转速和位移，并进行分析。2.如权利要求1所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，步骤1中所述的对啮合过程中的齿轮副进行动态测量的具体步骤包括：s1.1，对啮合过程的齿轮副进行特征分析，确定其位置关系、配合关系和外形设计，建立齿轮副理论模型；s1.2，基于非接触式测量技术，采用三维扫描仪对啮合过程的齿轮副进行高精度动态测量，生成齿轮啮合过程中齿面的实时点云数据，建立齿轮副实测模型。3.如权利要求1所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，步骤2中所述的对齿轮副建立孪生几何模型的具体步骤包括：s2.1，构建基于孪生信息的时序数据库；s2.2，结合齿轮副实测模型，经所述基于孪生信息的时序数据库生成齿轮副实测模型误差曲面，在齿轮副理论模型的基础上，对模型快速重构与集成，建立齿轮副孪生啮合几何模型，支撑齿轮动态接触特性分析。4.如权利要求3所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，所述的s2.1中构建基于孪生信息的时序数据库的具体步骤包括：s2.1.1预处理：导入齿轮副实测模型数据，进行动态数据预处理；具体处理方法为：去除干扰噪点，保留齿面误差特征，获得预处理实测模型数据；s2.1.2拟合：基于所述预处理实测模型数据生成实测模型误差曲面；s2.1.3存储：所述实测模型误差曲面用于模型的重构与集成，同时进行信息储存。5.如权利要求4所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，所述的s2.1.1中动态数据预处理的具体处理方法为：去除干扰噪点，保留齿面误差特征，获得预处理实测模型数据。6.如权利要求3所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，所述步骤s2.2中对模型快速重构与集成，建立齿轮副孪生啮合几何模型的步骤包括：以所述基于孪生信息的时序数据库处理拟合后的所述实测模型误差曲面作为输入，与所述齿轮副理论模型进行集成，且所述齿轮副实测模型在此过程中能够迭代更新，先前的实测模型被更新的实测模型取代，反映齿轮啮合过程中齿面的实际形貌特征，建立齿轮副孪生啮合几何模型，支撑后续齿轮动态接触特性分析。7.如权利要求6所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，所述齿轮副孪生啮合几何模型的表达式可定义为：geometry_model＝{theory_model，actual_model}。所述齿轮副实测模型为实时迭代更新，其过程用表达式可定义为：actual_model＝{(n，n)actual_model，(n+1，n)actual_model}；
式中，(n，n)为所述第n圈-第n齿，(n+1，n)为更新后第n+1圈-第n齿。8.如权利要求1所述的基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，其特征在于，步骤3中所述的物理属性、约束和特征信息包括：泊松比、密度、弹性模量、摩擦因数、接触方式和接触参数、平动和转动自由度、转速值和阻力矩值。

技术总结
本发明公开了一种基于孪生啮合的齿轮动态接触特性分析方法，包括以下步骤：步骤1：对啮合过程中的齿轮副进行动态测量；步骤2：对齿轮副建立孪生几何模型；步骤3：将齿轮副孪生几何模型导入CAE软件，添加物理属性、约束、特征等信息，建立齿轮副物理模型；步骤4：获取齿轮孪生啮合过程中齿面接触区域的应力、应变、压力、转速和位移，并进行分析。本发明基于提出的孪生啮合方法，建立针对齿轮啮合过程实时同步的、高精度特征的孪生啮合模型，并进行齿轮动态接触特性分析，对啮合过程中的齿轮自身误差进行考虑，更加真实、准确的反映出齿轮传动过程中的使用性能问题。程中的使用性能问题。程中的使用性能问题。


技术研发人员：王亚洲 王真 赵家黎 许辉科 王刚
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/12