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Meshing stiffness property and meshing status simulation of harmonic drive under transmission loading

Frontiers of Mechanical Engineering 2022年第2期17卷 145-163页

作者： Xiaoxia CHEN Yunpeng YAO jingzhong xing School of Mechanical Engineering Tiangong UniversityTianjin 300387China Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology Tiangong UniversityTianjin 300387China

The multitooth meshing state of harmonic drive (HD) is an important basic characteristic of its high transformation precision and high bearing capacity. Meshing force distribution affects the load sharing of the tooth during meshing, and theoretical research remains insufficient at present. To calculate the spatial distributed meshing forces and loading backlashes along the axial direction, an iterative algorithm and finite element model (FEM) is proposed to investigate the meshing state under varied transmission loading. The displacement formulae of meshing point under tangential force are derived according to the torsion of the flexspline cylinder and the bending of the tooth. Based on the relationship of meshing forces and circumferential displacements, meshing forces and loading backlashes in three cross-sections are calculated with the algorithm under gradually increased rotation angles of circular spline, and the results are compared with FEM. Owing to the taper deformation of the cup-shaped flexspline, the smallest initial backlash and the earliest meshing point appear in the front cross-section far from the cup bottom, and then the teeth in the middle cross-section of the tooth rim enter the meshing and carry most of the loading. Theoretical and numerical research show that the flexibility is quite different for varied meshing points and tangential force amplitude because of the change of contact status between the flexspline and the wave generator. The meshing forces and torsional stiffness of the HD are nonlinear with the torsional angle.

关键词： harmonic drive meshing flexibility matrix meshing force loading backlash flexspline contact analysis

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Tooth Position and Deformation of Flexspline Assembled with Cam in Harmonic Drive Based on Force Analysis

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2021年第6期34卷 385-404页

作者： Yunpeng Yao Xiaoxia Chen jingzhong xing Liteng Shi Yuqi Wang School of Mechanical Engineering Tiangong UniversityTianjin300387China Tianjin City Key Lab of Modern Mechatronics Equipment Technology Tianjin300387China

Deformation of the flexspline is the basis of analyzing tooth trajectory and designing tooth *** the tooth influence on the position of equivalent neutral layer,a piecewise method for calculating the deformation of flexspline assembled with a cam wave generator is presented in this ***,a mechanic model of a ring of uniform thickness in contact with a rigid cam is *** displacements of the ring inside and outside an unknown wrapping angle are determined by the geometric constraints of the cam profile and the equilibrium rela-tionship,***,the wrapping angle is solved according to the boundary *** assembly forces are derived to investigate the circumferential elongation and ***,considering the tooth effects on the neutral layer of flexspline,the tooth is positioned on the equivalent neutral layer,which is the non-elongation layer within one gear pitch but offset from the geometric *** equivalent neutral layer is positioned by the empirical formula of the offset ratio,which is summarized by the orthogonal simulation on finite element models of ***,finite element models of a ring-shaped and a cup-shaped flexspline assembled with elliptical cam are established to verify the effectiveness and accuracy of the piecewise *** results show that,compared with the geometric method,the tooth positioning deviation calculated by the piecewise method can be reduced by about 70%with a more accurate deformation description from the geometric condition and mechanic condition inside and outside the wrapping angle.

关键词： Harmonic drive Deformation calculation Cam wave generator Force analysis Equivalent neutral layer

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内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度

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复合材料学报 2011年第1期28卷 124-131页

作者：邢静忠陈利天津工业大学机械电子学院天津300160 教育部先进纺织复合材料重点实验室天津300160 天津工业大学复合材料研究所天津300160

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,获得纤维层和内胆的应力,以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研... 详细信息

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,获得纤维层和内胆的应力,以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现:基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力,不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低;不同的纤维类型和缠绕角,厚度-半径比对强度比的影响不同;基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果;缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。

关键词：纤维缠绕厚壁容器有限元分析失效准则纤维向应力强度比

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相对弯度对钝尾缘改型提升翼型气动性能的影响

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农业机械学报 2014年第8期45卷 214-219页

作者：张旭李伟邢静忠天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387 天津城建大学能源与安全工程学院天津300384

研究不同弯度的风力机专用翼型修改前后的气动性能,揭示相对弯度对钝尾缘改型增升效果的影响规律。利用XFOIL软件,对低速翼型S809、S823和S830进行尾缘厚度对称分布的钝尾缘改型。采用S-A和k-ωSST湍流模型模拟翼型原型的气动性能,并用... 详细信息

研究不同弯度的风力机专用翼型修改前后的气动性能,揭示相对弯度对钝尾缘改型增升效果的影响规律。利用XFOIL软件,对低速翼型S809、S823和S830进行尾缘厚度对称分布的钝尾缘改型。采用S-A和k-ωSST湍流模型模拟翼型原型的气动性能,并用实验数据比较两模型的计算精度。进而基于精度较高的k-ωSST湍流模型,计算了修改后翼型的升、阻力系数、升阻比和三者增幅,以及翼型表面压力系数分布。结果表明:对低速翼型进行钝尾缘改型时,随相对弯度增大,升力系数增幅在一定攻角范围内先增大后减小,升阻比增幅在一定攻角之前呈递增趋势;相对弯度约为2.5%弦长的翼型增升效果最佳,且大弯度翼型不适合钝尾缘改型。

关键词：风力机相对弯度钝尾缘改型气动性能增升效果

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三维五向编织复合材料的力学性能分析 Ⅱ：细观应力数值模拟

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复合材料学报 2010年第2期27卷 148-153页

作者：陈利李金超邢静忠天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津300160 天津工业大学机械电子学院天津300160

在实验观察的基础上,考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化,修正了现有的细观结构模型,建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D有限元法计算了材料的轴向弹性模量,数值预测与实验数据吻合较... 详细信息

在实验观察的基础上,考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化,修正了现有的细观结构模型,建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D有限元法计算了材料的轴向弹性模量,数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布,为材料进一步的强度预测奠定了基础。

关键词：三维增强细观结构有限元力学性能

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海底管道离地点的接触条件探讨

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力学与实践 2005年第5期27卷 57-60页

作者：邢静忠天津工业大学机械电子学院天津300160

海底管道的铺设分析和提升分析都用到管道和海床之间的接触条件,这个同时含有挠度、转角和弯矩的接触条件,在一般的力学模型中是很难理解的.考虑海床变形,通过海床和管道的变形分析,给出这种接触条件的真实背景和使用条件.

关键词：海底管道接触条件海床变形小挠度弹性地基

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考虑纤维体积含量变化的纤维缠绕厚壁柱形结构的等强度设计

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复合材料学报 2015年第3期32卷 789-796页

作者：吴杨邢静忠耿沛杨涛天津工业大学机械工程学院天津300387 天津市机电装备技术重点实验室天津300387

纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本... 详细信息

纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法,建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法,并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布。利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度。研究表明:缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层,纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响;利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布。

关键词：纤维缠绕厚壁容器纤维体积含量纤维层应力失效准则强度比

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高性能纤维束纤维尺度横向压缩数值模拟

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复合材料学报 2017年第11期34卷 2487-2493页

作者：李金超梅硕陈利邢静忠河南工程学院纺织学院郑州450007 中原工学院纺织学院郑州450007 天津工业大学复合材料研究所天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室天津300160 天津工业大学机械电子学院天津300160

为深入研究高性能纤维束纤维尺度横向压缩过程及变形机制,基于ANSYS有限元数值分析平台,采用APDL编程语言,在纤维尺度建立了高性能纤维束具有统计意义的三维数值生长模型。该模型考虑了纤维束内部纤维的随机分布与偏转及纤维之间在三维... 详细信息

为深入研究高性能纤维束纤维尺度横向压缩过程及变形机制,基于ANSYS有限元数值分析平台,采用APDL编程语言,在纤维尺度建立了高性能纤维束具有统计意义的三维数值生长模型。该模型考虑了纤维束内部纤维的随机分布与偏转及纤维之间在三维空间不产生相互贯穿的物理特性。利用数值模拟方法研究了纤维束在横向压缩时的变形情况,不仅获得了与纤维束压缩实验一致的非线性变形过程,而且得到了压力与纤维体积含量的定量关系,与经典的理论预测进行对比,获得了较好的支持。

关键词：纤维尺度高性能纤维束横向压缩数值模拟有限元

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谐波齿轮传动误差主频重构与双向频谱分析

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计算机集成制造系统 2022年第8期28卷 2353-2364页

作者：姚云鹏陈晓霞邢静忠天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

基于改善谐波齿轮传动误差和回程误差的需要,提出一种主频余弦波重构谐波齿轮传动误差的分析方法。首先根据谐波齿轮的传动特点分析其主要基础误差频率,包括柔轮转频、波发生器转频、柔轮啮频和刚轮啮频等。通过余弦波叠加分析各基础主... 详细信息

基于改善谐波齿轮传动误差和回程误差的需要,提出一种主频余弦波重构谐波齿轮传动误差的分析方法。首先根据谐波齿轮的传动特点分析其主要基础误差频率,包括柔轮转频、波发生器转频、柔轮啮频和刚轮啮频等。通过余弦波叠加分析各基础主频余弦波及其组合下的拍频特征。对实测双向传动误差进行傅里叶变换,提取基础主频和实际主频余弦波近似重构出传动误差,验证了主频成分重构误差的可行性。最后,对比分析了一体式和滑块式凸轮波发生器作用下的双向传动误差。研究表明,通过滑块结构改善波发生器的偏心状态能够有效改善传动误差,回程误差的产生与双向传动误差常量大小的变化及各主频相位的变化有关。

关键词：谐波齿轮传动误差主频余弦波误差重构频谱分析

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平纹织物纱线截面形态经典理论探析及其泛化

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纺织学报 2009年第7期30卷 36-41页

作者：杨连贺邢静忠李姜天津工业大学计算机技术与自动化学院天津300160 天津工业大学机械电子学院天津300160 天津工业大学教务处天津300160

平纹机织物内部纱线的截面一直被业界视为某种固定的形态,但应用可视化技术发现,基于经典的双凸截面模型存在问题,即使用微积分思路解决问题过程中,发现纱线截面变化的规律。研究结果表明,无论是单层机织物还是多层机织物,其纱线截面均... 详细信息

平纹机织物内部纱线的截面一直被业界视为某种固定的形态,但应用可视化技术发现,基于经典的双凸截面模型存在问题,即使用微积分思路解决问题过程中,发现纱线截面变化的规律。研究结果表明,无论是单层机织物还是多层机织物,其纱线截面均呈现多元性,而非单一形态。特别是对于接结多层纬纱的经纱,其截面沿纱线长度方向按凹凸交变的规律呈周期性变化。这一研究成果对"织物纱线恒定截面论"提出了异议,对研究纱线的真实截面形态及织物外观模拟具有参考价值。

关键词：机织物纱线截面形态可视化技术体切割

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