光声成像系统中传动机构的实体造型与有限元分析

发布时间：2017-09-15 07:33

  本文关键词：光声成像系统中传动机构的实体造型与有限元分析

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【摘要】：近年来,光声成像技术发展成为一种新型的生物医学影像技术,它具有无损,分辨率高等优点,尤其适合肿瘤的早期检测。中科院深圳先进技术研究院宋亮博士带领其研究团队搭建了多套光声成像系统,处于国内领先地位。在基于单探头环形扫描方式的光声断层成像系统中,换能器及激光探头需要围绕待测对象作旋转运动,以获得组织不同位置的光声信号。而换能器和激光探头的旋转运动都是由电机控制的,电机输出轴与换能器之间的传动结构十分重要,这是由于动力传递过程中的振动会影响光声信号的采集质量。因此,有必要对系统的传动结构进行一定研究与分析。考虑到传动的平稳性要求,我们选择蜗杆传动方式。本文主要基于环形扫描光声成像传动系统中的阿基米德蜗杆(ZA蜗杆)为研究对象,建立三维实体模型。利用有限元分析软件ANSYS Workbench对蜗杆传动过程进行表面接触分析。空间曲面的接触分析一般较难分析,它涉及到摩擦、接触状态等方面。本论文详细叙述了接触分析的基本步骤、网格划分流程、约束的定义以及对蜗轮蜗杆的载荷施加方式。1.介绍整理了阿基米德蜗杆、蜗轮的齿面方程的数学模型,以及蜗轮轮齿两侧齿面数学表达式,据此作为建立阿基米德蜗杆传动模型的理论基础。2.由于蜗杆和蜗轮的表面形状较复杂、加工要求精度高,着重探讨了ZA蜗杆和蜗轮轮齿的数学模型以及建模方法,利用Solid Works实体建模方法对蜗轮、蜗杆进行了三维建模,并进行了装配仿真。3.叙述了ANSYS Workbench软件对三维模型常用的分析方法与理论。采用静力学理论分析了ZA蜗杆传动的接触问题,经过前处理、计算求解、后处理过程,最终得到蜗轮与蜗杆相接触表面的应力大小。4.对比接触应力理论计算结果与有限元分析的实际情况,从得到结果可以看出两者的接触应力值相差并不大,说明采用有限元法分析蜗轮蜗杆之间的接触应力还是比较准确的。分析了两种常见的安装误差,分别对两种安装误差情况下的接触应力大小分析进行比较。结果表明,当安装误差越大,齿面的应力值就越大,即承受的载荷就越大,降低蜗轮蜗杆的使用寿命。与事实情况相符合。5.对于实体建模,并没有给出选择建模参数的具体依据,而是通过经验确定建模参数。因此,还需对蜗杆传动机构进行了优化设计,以设计参数为优化变量,以蜗轮体积最小为优化目标,综合考虑了蜗杆传动机构的齿数约束、模数约束、蜗杆直径系数、蜗杆刚度约束等条件,利用数值分析软件MATLAB优化工具箱对蜗杆传动机构进行多目标约束极小值优化,最终确定优化方案。节约了设计材料,提高了蜗杆传动的质量。
【关键词】：阿基米德蜗杆 三维建模 有限元分析 优化设计
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-17
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 光声成像的原理与发展情况11-14
• 1.3 蜗杆传动的国内外研究概况14-15
• 1.4 本论文的主要研究工作成果15-17
• 第2章 ZA蜗杆数学模型及实体建模17-36
• 2.1 蜗轮蜗杆的分类17
• 2.2 蜗杆传动建模方式的选取17-18
• 2.3 蜗杆螺旋面的数学模型18-22
• 2.3.1 车削蜗杆时的坐标系及变换18-20
• 2.3.2 车刀刃.直线方程20-21
• 2.3.3 蜗杆齿面方程21
• 2.3.4 蜗杆齿面法线21-22
• 2.4 蜗轮轮齿的数学模型22-28
• 2.4.1 蜗杆传动啮合坐标系22-25
• 2.4.2 蜗杆蜗轮啮合表达式25-27
• 2.4.3 蜗轮的齿面方程27-28
• 2.5 ZA蜗杆实体建模介绍28-29
• 2.5.1 三维建模软件SolidWorks介绍28
• 2.5.2 常见的三维建模方法介绍28
• 2.5.3 特征建模技术28-29
• 2.5.4 实体建模技术29
• 2.6 蜗轮蜗杆三维实体建模过程29-35
• 2.6.1 阿基米德蜗杆的传动参数计算29-30
• 2.6.2 蜗杆的特征造型30-32
• 2.6.3 蜗轮的三维模型建立32-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 ZA蜗杆传动的有限元处理36-50
• 3.1 ANSYS Workbench简介36-38
• 3.1.1 ANSYS Workbench的特点37-38
• 3.2 接触问题基本概念38-39
• 3.3 常见接触方式及算法39-40
• 3.4 有限元基础理论40-41
• 3.5 接触分析的有限元法41-43
• 3.6 静态接触分析的具体过程43-49
• 3.6.1 定义蜗轮蜗杆的材料属性43
• 3.6.2 ZA蜗杆副有限元模型的建立43-44
• 3.6.3 创建接触对44-45
• 3.6.4 网格划分控制45-47
• 3.6.5 定义约束及施加载荷47-48
• 3.6.6 求解与结果分析48-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第4章 安装误差对传动的影响50-56
• 4.1 理论计算与有限元仿真的结果对比50-51
• 4.2 存在安装误差下的ZA蜗杆传动的有限元分析51-55
• 4.2.1 中心距偏差 Da时蜗杆传动的接触分析51-54
• 4.2.2 存在蜗轮轴向安装误差 Db时的接触分析54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第5章 蜗杆传动机构的优化设计56-63
• 5.1 机械产品的优化设计流程56
• 5.2 MATLAB优化工具箱介绍56
• 5.3 建立优化数学模型56-62
• 5.3.1 确定目标函数56-58
• 5.3.2 确定约束条件58-59
• 5.3.3 建立蜗杆传动优化设计的数学模型59-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 攻读学位期间取得学术成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 柴群;万朝燕;;基于ANSYS/LS-DYNA的蜗轮蜗杆动态接触分析[J];现代制造工程;2006年11期

2 赵延岭;杨文凯;;蜗轮传动优缺点及研究方向[J];一重技术;2006年04期

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本文编号：855165