基于ANSYS_LS_DYNA的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析

基于ANSYS/LS 2DY NA 的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析
高　翔,程建平
(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江　212013)
摘要:针对直齿锥齿轮疲劳破坏中出现儿率最高的齿面接触疲劳强度问题,在UG 中建立齿轮几何模型,利用ANSYS/LS 2DY NA 对齿轮进行动力学接触仿真分析,计算了齿轮副在啮合过程中齿面接触应力、应变的变化情况及两对轮齿同时接触过程中接触压力的分布情况。

关键词:直齿锥齿轮;AN S YS /LS 2D Y NA;动力学;接触仿真分析
中图分类号:TH132.421 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2008)02-0050-02
Dynam ic Contact Emulate Analysis of Bevel Gear with ANSYS/LS 2DY NA
GAO X iang,CHEN G J ian 2ping
(School of Aut omotive and Traffic Engineering,J iangsu University,Zhenjiang 212013,China )
Ab s tra c t:Geometrical model of a bevel gear is established and bevel gear dyna m ic emulati on analysis is operated
with ANSYS/LS 2DY NA s oft w are f or that the fatigue failure p r obability of bevel gear is the highest in t ooth surfaces contact fatigue resistance .The contact stress and def or mati on during the meshing p r ocess are calculated .And the distributi on of contact f orce is calculated when t w o pairs of teeth contact si m ultaneously .
Key wo rd s:Bevel gear;ANSYS/LS 2
DY NA;Dyna m ic;Contact si m ulati on analysis 由于车用齿轮的传动比和传递功率大,加工难度与成本都相当高,所以如何提高车用齿轮的传动性能与使用寿命,近年来一直深受社会各界的广泛关注。

随着计算机技术的发展,在齿轮研究中广泛应用有限元方法来计算应力和应变。

国内外许多学者对轮齿接触分析(TCA )进行了大量研究,提出了基于弹性理论的直齿锥齿轮接触应力计算方法等。

但这类方法需要高深的数学知识和大量的编程,工程应用效率低
[1]。

本文运用ANSYS/LS 2DY NA 软件,分别对直齿锥齿轮副一对轮齿进行了三维实体动力学接触仿真分析,并得到了良好的接触形态。

1　分析前处理
1.1　几何模型
直齿锥齿轮模型在UG 软件中建立(图1),取啮合齿轮的一对轮齿,然后导入ANSYS
软件。

图1　接触齿轮的几何模型
F i g.1Geom e try Mo da l o f Co n ta c t Ge a rs
1.2　选择单元对读入ANSYS 的齿轮接触模型,选用s olid 164和shell163两种单元。

1)s olid 164单元
s olid 164单元是8节点六面体单元,它能节省计算时间并在大
变形条件卜增加可靠性。

2)shell163薄壳单元
它是4节点四边形单元,或3节点二角形单元。

在ANSYS/LS 2DY NA 中,s olid 164单元不具有旋转自由度,不能施加转速和转矩使其转动进行接触分析。

定义齿轮内圈表面为
shell163单元,并定义为刚性体,就可以进行施加转速和转矩的负载
操作,以进行动力学接触仿真分析。

用刚性体定义有限元模型中的刚硬部分,可以大大减小显式分析的计算时间。

这是由于定义一个刚性体后,刚性体内所有节点的自由度都耦合到刚性体的质量中心上去。

因此,不论定义了多少节点,刚性体仅有6个自由度。

每个刚性体的质量,质心,惯性由刚性体体积和单元密度计算得到。

作用在刚性体上的力和力矩由每个时间步的节点力和力矩合成,然后计算刚性体的运动,再转换到节点位移。

1.3　设置实常数、材料属性
对s olid 164实体单元,不需要设置实参数,采用缺省算法。

对
she11163单元,单元为均匀厚度,要定义节点1处的壳厚,输入0.1,
选择S/R Co 2r otati onal Hughes 2L iu 面内多积分点改进型单元算法,以消除某种沙漏模态。

其材料密度,7.9×10-6kg/mm 2;杨氏模量,2.06×108kN /m 2;泊松比,0.30。

对shell163刚性体单元,设置材料属性时需要设置其
平移和旋转约束参数。

1.4　划分网格
对模型进行网格剖分,用ANSYS Main Menu >Prep r ocess or >
Mesh Tool 命令,在Mesh Tool 工具中进行Gl obal 设置,选择定义的单
元类型、材料编号、实参数、单元所在坐标系,然后用s weep 方式进行
收稿日期:2007-04-19;收修改稿日期:2007-04-25
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05・第35卷第2期 拖拉机与农用运输车 Vol .35No .22008年4月 Tract or &Far m Trans porter Ap r .,
2008
网格划分。

划分好网格的模型如图2
所示。

图2　划分好单元的接触模型
F i g .2Co n tac tMo da lw ith M e she d E l em e n ts
1.5定义p a rt
P ART 的定义是具有唯一的TYPE,REAL 和MAT 号组合的一组
单元。

选择Main Menu >Prep r ocess or >LS 2DY NA Op ti ons >Parts
Op ti ons 命令,在弹出的对话枢选Create all parts,单击OK 按钮,创建4
个P ART,如表1所示。

表1　创建的4个p a rt
Ta b.14C re a te d P a rts
P ART MAT TYPE RE AL USE D
1111…
2222...3331 (4)
442
…
1.6　定义接触
在LS 2DY NA 程序中,没有接触单元,只要定义可能接触的接触表面,它们之间的接触类型,以及与接触有关的一些参数,在程序计算过程中就能保证接触界面之间不发生穿透,并在接触界面相对运动时考虑摩擦力的作用[2]。

为了充分描述结构在大变形接触和动力撞击中复杂几何物体之间的相互作用,在ANSYS/LS 2DY NA 中有18种接触类型可供选择。

根据齿轮模型情况选用单面接触(ASSC )。

使用EDCGEN 命令或Main Menu:Prep r ocess or >LS 2DY NA
Op ti ons >Contact >Define Contact,选择单面接触(ASSC )。

1.7　创建局部坐标系
应分别在两齿轮顶锥顶点定义两个局部坐标系,这是因为对轮齿进行接触分析时,如果不定义局部坐标系,施加的约束和负载都是在全局坐标系中,刚性体绕其质心旋转,而不是绕坐标轴旋转,导致分析错误,或分析无法进行。

Main Menu >Prep r ocess or >Loads >Load Step Op ts >O ther >Change Mat Pr op s >Local CS >Create Local CS 命令,分别输入3个点
的坐标值创建局部坐标,创建两个局部坐标系。

1.8　施加负载
根据正常工作情况下齿轮受载情况,主动轮具有角速度、驱动转矩,其由输入功率公式计算;从动轮也具有一定角速度、阻力转矩。

在LS 2DY NA 程序中所有载荷都必须与时间相关,为此对结构进行加载,需要创建各个时间间隔及其对应载荷值的数组参数。

ANSYS Main Menu >Para meters >A rray Parameters >Define /Edit >Add
菜单命令,输入Para meter Name 和列数,编辑对应的时间和数组值。

使用EDLOAD 命令或ANSYS Mainmenu >Soluti on >Loading Op 2
ti ons >S pecify Loads 菜单命令,选取加载类型、负载坐标系、Compo 2nent 或P ART 编号、时间数组名、负载数组名,然后确定。

2　分析求解
2.1　设置求解过程的控制参数
求解过程控制主要有基本的求解控制(计算终止时间、文件输出
时间间隔等)、输出文件控制(二进制输入文件和格式化输出文件)、质量缩放、子循环、缺省控制(CP U 控制、沙漏控制和体积粘性控制)。

根据小齿轮转速100r/s,只需要分析一对轮齿啮合,确定计算时间为0.002s 。

结果输出文件.rst 的输出步数一般为1000～10000步,采用缺省1000步。

时间历程文件.his 的输出步数一般采用默认
1000步。

2.2　求解
执行S OLVE 命令,ANSYS/LS 2DY NA 程序开始始求解过程。

如果提示系统内存不够,可以用文本编辑器,如记事本打开k 文件,在
第一行3KEY WORD 后加上80000000,表示扩充内存到80000000,具体数值可视模型单元数修改。

然后打开LS 2DY NA,输入k 文件的路径求解。

2.3　结果分析
接触仿真的不同啮合位置的应力云图如图3所示。

图3　不同位置的应力云图(单位:M P a )
F i g .3Co n t o u r S tre ss i n D i ffe re n t Po siti o n s
分析表明:啮入与啮出时,直齿锥齿轮的应力变化较小;轮齿在刚啮入或刚啮出时,综合应力较大;动态分析模型的应力变化与静态分析应力变化相似;沿齿轮法向,接触齿面上的接触应力大于齿轮内应力;动态分析模型的接触应力值比静态分析结果大;动态接触时直齿锥齿轮的接触应力变化比静态接触时小;静态分析时齿轮接触应力的变化趋势与动态分析时的变化趋势相符;在轮齿啮入与啮出瞬时,齿根应力较大,最大应力出现在齿轮小端,所以在小齿端齿根处弯曲强度最弱,易出现折断。

3　结束语
本文详细介绍了用ANSYS/LS 2DY NA 做齿轮接触仿真分析的步骤,提出了分析过程中应注意事项,并且对结果进行了分析,为齿轮动力学接触分析提供了新的方法。

但本方法采用计算机仿真方法计算,其结果还有待于实际试验的进一步验证。

参考文献
[1]　唐增宝,钟毅芳.直齿圆柱齿轮传动系统的振动分析[J ].机械工程学
报,1992,28(4):65～69.
[2]　李润方,王建军.齿轮系统动力学[M ].北京:科学出版社,1996:1～436.
(编辑　郭聚臣)
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15・高　翔等:基于ANSYS/LS 2DY NA
的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析。