基于ANSYS的齿轮静力学分析及模态分析

学号：08507019

2011届本科生毕业论文（设计）

题 目：基于ANSYS的齿轮模态分析

学院(系)：机械与电子工程学院 专业年级： 机制072班 学生姓名： 何旭栋 指导教师： 杨创创 合作指导教师：

完成日期： 2011-06- I

目 录

第一章 绪论 .......................................................................- 1 -

1.1课题的研究背景和意义 ..........................................................- 1 - 1.2 齿轮弯曲应力研究现状 .........................................................- 1 - 1.3 齿面接触应力研究现状 .........................................................- 2 - 1.4 齿轮固有特性研究现状 .........................................................- 2 - 1.5 论文主要研究内容..............................................................- 3 -

第二章 齿轮三维实体建模 .........................................................- 3 -

2.1 三维建模软件的选择 ...........................................................- 3 - 2.2 齿轮参数化建模的基本过程 .....................................................- 4 - 2.3 利用pro/e对齿轮进行装配 .....................................................- 5 -

第三章 齿轮弯曲应力有限元分析 ..................................................- 6 -

3.1齿轮弯曲强度理论及其计算 ......................................................- 6 -

3.1.1 齿轮弯曲强度理论 .........................................................- 6 - 3.1.2 齿形系数的计算方法 .......................................................- 7 - 3.2 齿轮弯曲应力的有限元分析 .....................................................- 8 - 3.2.1选择材料及网格单元划分 ....................................................- 8 - 3.2.2约束条件和施加载荷 ........................................................- 8 - 3.2.3计算求解及后处理 ..........................................................- 9 - 3.3 齿轮弯曲应力的结果对比 ......................................................- 12 -

第四章 齿轮接触应力有限元分析 .................................................- 13 -

4.1经典接触力学方法 .............................................................- 13 - 4.2 接触分析有限元法思想 ........................................................- 14 - 4.3 ANSYS有限元软件的接触分析 ...................................................- 16 - 4.3.1 ANSYS的接触类型与接触方式 ..............................................- 16 - 4.3.2 ANSYS的接触算法 .........................................................- 16 - 4.4 齿轮有限元接触分析 ..........................................................- 17 - 4.4.1将Pro/E 模型导入ANSYS 软件中 ...........................................- 17 - 4.4.2 定义单元属性和网格划分 ..................................................- 17 - 4.4.3 定义接触对 ...............................................................- 18 - 4.4.4 约束条件和施加载荷 ......................................................- 18 - 4.4.5 定义求解和载荷步选项 ....................................................- 19 - 4.4.6 计算求解及后处理 ........................................................- 19 - 4.5有限元分析结果与赫兹公式计算结果比较 ........................................- 21 -

第五章 齿轮模态的有限元分析 ...................................................- 22 -

5.1 模态分析的必要性.............................................................- 22 - 5.2 齿轮的固有振动分析 ..........................................................- 22 - 5.3 模态分析理论基础.............................................................- 22 - 5.4 模态分析简介 .................................................................- 24 - 5.4.1模态提取方法 .............................................................- 24 - 5.4.2模态分析的步骤 ...........................................................- 25 -

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5.5 齿轮的模态分析 ...............................................................- 25 - 5.5.1 将Pro/E 模型导入ANSYS 软件中 ...........................................- 25 - 5.5.2 定义单元属性和网格划分 ..................................................- 25 - 5.5.3 加载及求解 ...............................................................- 26 - 5.5.4扩展模态和模态扩展求解 ...................................................- 26 - 5.5.5 查看结果和后处理 ........................................................- 27 - 5.6 ANSYS模态结果分析 ...........................................................- 28 -

第六章 全文总结与展望 ..........................................................- 31 -

6.1 全文总结 .....................................................................- 31 - 6.2 本文分析方法的优点 ..........................................................- 31 - 6.3 本文缺陷及今后改进的方向 ....................................................- 32 -

参考文献 ..........................................................................- 33 - 附录1 外文翻译 ..................................................................- 34 - 附录2 GUI操作步骤 ..............................................................- 41 - 致 谢 .............................................................................- 45 -

II

绪论

第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

本文研究的对象是履带式拖拉机变速箱齿轮。随着履带式拖拉机性能和速度的提高，对变速箱齿轮也提出了更高的要求。改善齿轮传动性能，如提高承载能力、减轻重量、缩小外形尺寸、提高使用寿命和工作可靠性等，成为齿轮设计中的重要内容。履带式拖拉机变速箱齿轮广泛应用的是圆柱齿轮和圆锥齿轮，其中大约90%是直齿圆柱齿轮。变速箱齿轮工作应力很高，结构上要求重量轻、精度高，并具有足够承载能力和可靠性。齿轮传动失效主要发生在轮齿，主要失效形式有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等[1]。根据齿轮工作特点，在传递功率和运动过程中，轮齿齿根产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。齿轮主要失效特征是弯曲应力作用造成轮齿的变形和折断、接触应力作用而造成的表面疲劳剥落和摩擦作用而造成的磨损。在履带式拖拉机变速箱的维修中，失效齿轮有80%以上是由于面接触疲劳造成的。为了避免由于齿轮接触疲劳而引发的行驶事故，造成不必要的人员伤亡和经济损失，有必要对齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力进行分析和评估，为变速箱齿轮传动的设计提供依据。

齿轮轮体破坏是重载机械齿轮必须避免的一种破坏形式，为避免由于齿轮共振引起的轮体破坏，有必要对齿轮进行固有特性分析，通过调整齿轮的固有振动频率使其共振转速离开工作转速。 1.2 齿轮弯曲应力研究现状

实验表明，齿轮的工作寿命与最大弯曲应力值的六次方成反比，因此最大弯曲应力略微减小，齿轮工作寿命即会大大提高[2]。齿轮的最大弯曲应力往往出现在齿轮的齿根过渡曲线处，因此精确计算渐开线齿轮齿根过渡曲线处的应力，进而合理设计过渡曲线，对延长齿轮工作寿命、提高齿轮承载能力至关重要。为了进行齿根弯曲强度计算，分析齿根弯曲状态，必须分析齿根的弯曲应力。因此，分析计算轮齿应力与变形的分布特点和变化规律具有重要的意义。而在渐开线齿轮过渡曲线处，轮齿形状发生变化，产生应力集中现象，会直接影响齿轮的寿命和承载能力。齿轮弯曲应力和变形计算大致有四种方法，即材料力学方法、弹性力学方法、试验分析方法和数值方法[3]。

随着计算技术的迅速发展与广泛应用，以有限元法为代表的数值计算方法为齿轮应力和变形分析提供了一种方便、可靠的研究方法．目前齿轮工程中实用的数值解法主要有三种：有限差分法(FDM)、边界元法（BEM)和有限元法(FEM)[3]。在数值计算方法中最引人注目的是有限元法。有限元法用于齿根应力分析大约起始于二十世纪六十年代末、七十年代初，此后迅速发展，国外不少研究人员如Chabert、Wilcox、户部、Chang、Bibel

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