课程设计之齿轮啮合有限元分析

齿廓曲面是渐开线曲面，所以建模的难点和关键在于如何确定精确的渐开线。本文先在proe中建立标准直齿圆柱齿轮的三维模型，然后导入ANSYS中，应用ANSYS软件进行网格划分，并进行静力加载和求解，对求解的结果进行查看，分析和优化。
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鉴于anasys的三维建模能力一般，本文通过在proe中建立标准直齿圆柱齿轮的三维模型，保存副本为PARASOLID（*x_t）格式，然后在anasys中导入：file>import>PARA，
（8）完成设置，单击对话框中的OK按钮，回到接触向导对话框。
（9）单击对话框中的Create按钮，完成接触向导，创建好一个接触对，并出现如图5.6的信息提示，如果接触对正确单击Finish完成接触对的创建。
按照这个步骤创建好所有可能接触的所有接触对，见图5.7所示。
图5.2接触向导图
5.3拾取接触面对话框
有限元法分析与建模
课程设计报告
学院：机械电子工程学院
指导教师：
学生及学号：
2012-12-31
摘 要
ANSYS是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学，计算力学和计算工程科学领域最有效的通用有限元分析软件。它是融合结构，热，流体，电磁，声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。利用ANSYS有限元分析，可以对各种机械零件、构件进行应力，应变，变形，疲劳分析，并对某些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。由于其方便性、实用性和有效性，ANSYS软件在各个领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。这次大作业一齿轮啮合的有限元分析为例介绍有限元法的基本过程。
关键词：有限元法；齿轮；啮合
Abstract
With the development of computer,ANSYS has became one ofthemost effective general-purpose finite element analysis softwarein calculation mathematics, computational mechanics and computational engineering sciences.It isone of the large general-purpose commercial finite element analysis softwarewhich isthe integration of structural, thermal, fluid, electromagnetic, acoustic.By this method，we can make the stress,strain,deformation and fatigue analysis to various mechanical parts、components.Additionally ,it isalsocan be used to make the simulation of certain complex system,to achieve a virtual design with the significant saving in manpower,financial and material.Because of its convenience, practicality and effectiveness,ANSYS software has been widely usedinvarious fields, especially mechanical engineering.
（4）确定后单击【OK】按钮，返回到如图3.4所示的对话框后单击【Close】按钮，结束单元类型的添加。
图3.3添加单元类型对话框
图3.4单元类型选项对话框
3.2定义材料属性
单击Main>Preprocessor>Material Props>Material Models弹出定义材料属性对话框如图3.6所示，填入EX：2.06e11、PRXY：0.3，在Structural下单击Friction Coefficient弹出如图3.7所示对话框，填入Mu：0.3，至此材料属性定义完成，下一步进入网格划分。
导入anasys中如图2.1所示：
图2.1
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3.1定义单元属性
定义材料属性中弹性模量206Gpa，泊松比PRXY：0.3，密度为:7.82×103kg/m3，在本文的讨论的问题中，摩擦因数Mu=0.3。具体的操作如下：
3.1.1定义网格单元
单击Main>Preprocessor>Element Type>Add Edit/Delete弹出单元类型选择对话框如图3.1所示，单击Add选择PLANE42，SOLID45。
（5）在该对话框中，在Target Surface下选择Areas，单击Pick Contact…按钮，弹出图形拾取对话框，用鼠标在大齿轮上选择接触面。然后单击OK按钮。
（6）单击对话框中的Next按钮，进入接触设置对话框，如图5.4所示。
（7）单击对话框中的Optional settings…按钮，弹出的设置对话框如图5.5所示。
图5.4设置接触参数图5.5设置接触对属性对话框
图5.6提示对话框
图5.7三个接触对
回到接触管理对话框，可以看到所创建的所有接触对，如图5.8所示。
图5.8所创建的接触对
在完成接触对创建后，还可以通过在接触管理对话框中选择该接触对，并单击属性按钮“ ”进入接触属性修改对话框修改其属性，在这里重点介绍下对接触属性的设置，因为接触属性设置的正确与否直接影响到求解的收敛与正确，对三个接触对的接触属性的设置见图5.9。
图6.1施加边界条件拾取对话框图6.2约束选择
图6.3施加载荷拾取对话框图6.4施加载荷
图6.5施加边界条件和载荷的小齿轮图6.6施加边界条件和载荷的大小齿轮
6.2ANASYS求解
在求解前先对求解控制进行设置单击Preprocessor>Solution>Analysis Type>Sol’n Control出现如图6.7所示的对话框，并按图6.7中的设置进行设置。完成设置后单击OK推出设置。
图3.1
（1）单击【Add】按钮。弹出Library ofElement Types(单元类型库)对话框，如图3.2所示。在图中左边的列表框中选择欲添加的单元类别(有梁、管，壳，实体等)，此处选择Solid(实体)类别，然后在右边的列表框中选择具体的单元类型，此处选择四节点四边形单元，Quad 4node 42。
图7.1Plot Deformed Shape对话框
图7.2变形图
(2)节点位移图：
单击MainMenu>Preprocessor>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu，弹出Contour Nodal Solution Data对话框，如图7.3所示。选择DOFSolution/Displacement vector sum,单击OK，节点位移云图如图7.4所示。
图3.2单元类型库对话框
（2）选择完毕单击【OK】按钮，如果确定了当前选择后还想继续添加单元类型，单击【Apply】按钮。将返回到如图3.3所示的ElementTypes对话框。
（3）如果想改变单元的其他输入选项单击【Options…】按钮。出现如图3.14所示的element type options（单元类型选项）对话框。
图5.9对接触属性的设置
选择拉格朗日法的原因是拉格朗日法容易得到良性条件，对接触刚度的敏感性较小。也可以通过设置实常数和关键字来实现，打开CONTA174 element type options菜单如图5.10设置这三个接触对的关键字。
图5.10对关键字的设置
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6.1边界条件定义
单击应用菜单的Select>Entities在弹出的对话框中选择Lines/By num and pick选择小齿轮的内径的四条线，之后再单击应用菜单的Select>Entities在弹出的对话框选择Nodes/Attach to/Lines All,在单击Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Rotate Node Cs，则小齿轮的内径圆上的四条线全部转换为柱坐标系，此时X,Y分别代表R,θ。单击Preprocessor>Solution>Loads>Define Loads> Apply>Structural>Displacement> On Nodes如图6.1所示，单击Pick All在弹出的对话框中单击UX如图6.2，即约束小齿轮的径向。再次单击Preprocessor>Solution>Loads>Define Loads> Apply> Structural >Force/Moment > On Nodes如图6.3所示，单击Pick All在弹出的对话框中选择Fy，输入Fy的值为-200N如图6.4，则小齿轮的边界条件和载荷施加完毕如图6.5。ຫໍສະໝຸດ Baidu理，大齿轮的边界条件是约束其内径四条线上所有节点的所有自由度其操作与小齿轮施加边界条件的操作相似，完成大齿轮的边界条件后。单击应用菜单的Select>Everything约束的结果见图6.6。
图3.6
图3.7
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在本论文中，不要求得到很精确的应力值，主要得到相应的应力危险点以及该结构的动力响应过程，因此网格不用划分得很细，在满足求解条件下，可以尽量地减少网格以减少规模。
单击Main>Preprocessor>Meshing>MeshTool弹出如图4.1所示对话框。选中Smart Size 8自由划分网格，单击Mesh出现拾取对话框，拾取大小齿轮处于同向的一面，划分结果如图4.2所示。
Key Words：Finite element method；Gear；Engagement
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齿轮是机械中常用的一种零件，其在工作的过程中会产生应力，应变和变形，为保证其正常工作需要对齿轮的轮齿和整体受力进行分析，保证其刚度和强度的要求。本论文采用ANSYS软件对齿轮进行静力学分析和优化实现对齿轮的虚拟设计。
（2）在对话框Target Type栏中选择Flexible如图5.2所示。
（3）选择目标面，在Target Surface下选择Areas，单击Pick Target…弹出拾取对话框。通过鼠标在大齿轮上选择目标面，然后单击OK按钮。
（4）单击向导对话框中的Next按钮，进入下一步，拾取接触面如图5.3所示。
齿轮是最重要的零件之一。它具有功率范围大，传动效率高，传动比正确，使用寿命长等特点，但从零件失效的情况来看，齿轮也是最容易出故障的零件之一。据统计，在各种机械故障中，齿轮失效就占故障总数的60%以上。其中轮齿的折断又是齿轮失效的主要原因之一。
齿轮啮合过程作为一种接触行为,因涉及接触状态的改变而成为一个复杂的非线性问题。传统的齿轮理论分析是建立在弹性力学基础上的,对于齿轮的接触强度计算均以两平行圆柱体对压的赫兹公式为基础,在计算过程中存在许多假设,不能准确反映齿轮啮合过程中的应力以及应变分布与变化。相对于理论分析,有限元法则具有直观、准确、快速方便等优点。
图6.7求解控制设置
再单击Main Menu> Preprocessor>Solution>Solve>Current LS出现如图6.8的信息提示框，单击Ok开始求解。当出现“Solution is done”，求解完成。
图6.8信息提示框
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7.1求解结果的查看
（1）变形图：单击MainMenu>Preprocessor>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape,弹出Plot Deformed Shape对话框，选择Def+undf edge，如图7.1，单击OK，变形图如图7.2。
图4.1网格划分工具框
图4.2划分网格后的齿轮面
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利用ansys中的接触向导创建接触对，选择主菜单中的Preprocessor>Modeling>Cr
eat>Contact Pair命令，弹出Contact Manager对话框，如图5.1所示。
图5.1接触管理对话框
创建步骤如下：
（1）单击对话框中的“ ”创建接触向导（Contact Wizard）按钮，弹出接触向导的对话框，如图5.2所示。