基于ANSYS软件的齿轮疲劳有限元分析报告

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基于 Ansys 的齿轮泵齿轮有限元分析

基于 Ansys 的齿轮泵齿轮有限元分析王宇;孟庆鹏【摘要】Gear is an important part of the gear pump.Stress and deformation of the gear at high-speed running plays can decide the normal operation of the entire gear pump.The paper introduces the calculation model for the gear of certain gear pump developed in Ansys and conducts finite element analysis and calculation to get the stress and deformation infor-mation of the gear at high-speed rotating, providing theoretic basis for use and structural improvement of the gear pump.%齿轮作为齿轮泵的重要组成部分, 在正常工作下高速运转时的应力与变形情况对整个齿轮泵能否正常工作起到至关重要的作用. 文中运用Ansys软件建立某型齿轮泵齿轮的计算模型, 并对其进行有限元分析计算, 得到此齿轮高速旋转时的应力及变形情况, 为齿轮泵的使用与结构改进提供理论依据.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】2页(P42-43)【关键词】齿轮泵;齿轮;有限元法;Ansys;分析计算【作者】王宇;孟庆鹏【作者单位】吉林电子信息职业技术学院吉林 132021;吉林机械工业学校吉林132011【正文语种】中文【中图分类】TH137.51齿轮泵为一种常见的液压泵，它具有体积小、质量轻、结构简单等优点，是液压传动系统的主要部件，应用非常广泛。

基于ANSYS的双圆弧齿轮的有限元分析

基于ANSYS的双圆弧齿轮的有限元分析摘要利用双圆弧齿轮的端面齿廓方程构建齿轮的基本齿廓，在Pro/E中建立轮齿单齿模型并通过Pro/E与ANSYS的接口将模型导入ANSYS中进行有限元分析，根据双圆弧齿轮的啮合过程的3个阶段，对轮齿分别施加7组面载荷及跑合后的圆弧齿轮传动啮合时轮齿受载进行计算，其结果为双圆弧齿轮的制造和实际应用提供了参考依据。

关键词双圆弧齿轮；齿廓；Pro/E；ANSYS；有限元分析0 引言齿轮传动是机械传动中应用最广泛的传动机构。

它具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。

随着近代科学技术和工业生产迅速发展，对齿轮传动装置的承载能力提出了更高的要求；双圆弧齿轮的啮合状态较为复杂，多齿多点接触、载荷反复交变[1]。

理论和实验研究证明，作为一种新型齿轮传动，双圆弧齿轮传动具有承载能力高、使用寿命长、体积小、重量轻、传动效率高等特点，所以对它的应用和研究日益受到人们的重视。

本文选取已得到的双圆弧齿轮的一个轮齿作为分析对象，利用双圆弧齿轮的端面齿廓方程构建齿轮的基本齿廓，通过Pro/E和ANSYS连接口，将Pro/E中得到的轮齿模型数据输入ANSYS有限元分析软件，对模型施加6组不同的面载荷及在特殊工况跑合后的齿轮啮合时对轮齿施加载荷，进行了双圆弧轮齿齿根弯曲应力的有限元分析，从而为双圆弧齿轮的制造和实际应用提供了参考依据。

1 齿面基本方程双圆弧齿轮的基本齿廓如图1所示，它是由凸弧、凹弧、凸凹弧的连接弧和齿根圆弧组成。

各段工作圆弧分别由半径和圆心偏心位置决定[2]。

其端面齿廓方程如下。

（1）其中为相对曲率半径；Ø为齿轮转角；α为压力角；β为螺旋角；e为凹齿接触点出槽宽；r为齿轮节圆半径；N为齿廓圆心相对所选坐标轴的偏移量。

2 参数化几何建模双圆弧齿轮的齿廓较为复杂，因此本文根据齿轮的端面齿廓方程并利用Pro/E参数化建模功能进行单个轮齿齿廓的建模。

基于ANSYS的20CrMnTi齿轮的疲劳寿命分析

荷的水平分量所产生的剪应力和垂直分量所产生的
压应力，而只按齿根危险截面的弯曲应力进行计算，
这也带来了一定的近似性。综上，传统的齿轮齿根弯
曲应力计算方法存在很大的近似性，通过其计算出
的疲劳寿命必然不准确。
3 ANSYS 软件计算齿根弯曲应力
建立一对渐开线直齿圆柱齿轮的啮合模型，两齿轮的尺寸一样，通过 ANSYS 求解在齿轮的一个啮合周期内，齿根处的最大弯曲应力。由于考虑到计算量的大小，我们不需研究整个齿的受载情况。只需研究一个齿在其完整啮合的一个周期内的情况，因此只取其中的三个齿进行研究。 3.1 设定材料参数
力计算法求得危险截面的弯曲应力为：
σF
=
2KT1 Bd1m
YFaYSa
(1)
式中：K 为载荷系数；T1 为小齿轮传递的名义扭矩；
B 为齿宽；d1 为小齿轮分度圆直径；m 为模数；YFa为
齿形系数；YSa 为应力修正系数。
本文中研究的齿轮为标准直齿圆柱齿轮，按
GB/T14230 的要求设计，模数 m=6 mm，齿数为 Z=
图 9 齿根处的弯曲应力随时间变化的曲线 Fig.9 Bending stress-time curve at the tooth root
以读出最大齿根弯曲应力σF=420MPa。这与理论计
算的齿根弯曲应力 345.3MPa 之间存在一定的误差。
1600
600
400
200
0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 工程应变
图 1 20CrMnTi 钢的应力-应变曲线图 Fig.1 Stress-strain curve of steel 20CrMnTi

基于Ansys Workbench的齿轮副有限元分析

针齿中心圆半径r p根据经验公式：式中，前面系数取则，取。

④齿宽=150mm，前面系数取0.11偏心距，短幅系数，针齿半径rp=6.97mm，取r rp=7mm因，则最小曲率半径：计算得到，则，顶切。

⑧针径系数，计算得到K针齿销跨度L=3.5b c，计算得到齿面接触强度校核最大载荷，计算得到齿面接触强度计算。

根据赫兹公式，齿面接触应力按下式计算：1）当量弹性模量E e：摆线轮的弹性模量E1和针齿的弹性模量的弹性模量，故。

2）当量曲率半径ρei，得：令，，则：，且，故：3）任意瞬间针齿与摆线轮接触点的法向压力综上可得：令，Y1随K1、K2、z c以及接触的位置θbi不同而变化，当K1、K2、z c一定时，必有某个=θk使Y1达到最大值Y1max：则：根据插值法取Y1max=1.95。

代入数图3箱体图4装配体内部结构图1行星轮图2摆线轮4齿轮副有限元分析针对风电变桨减速器结构，对代表性的齿轮副进行了有限元模型的建立和分析，其中包括一对外啮合齿轮副、摆线轮与针齿接触副。

4.1外啮合齿轮副建立外啮合齿轮副的实体模型，并导入ANSYS中，应用Swept Meshing（扫掠法）进行网格划分，网格模型共计25140个单元，29010个节点，外啮合齿轮副有限元模型如图5所示。

图5外啮合齿轮副网格图外啮合齿轮副计算模型边界条件为：主动轮z1施加扭矩载荷，径向和轴向施加零位移约束，可绕中心线转动；动轮z2的切向、径向和轴向均施加零位移约束，边界条件如图6所示。

图6外啮合齿轮副边界条件4.2摆线轮与针齿接触副将建立的实体模型导入ANSYS Workbench中，建立摆线轮与针齿接触副有限元模型，应用Hex Dominat行网格划分，共计116254个单元，455334个节点，网格模型如图7所示。

图7摆线针齿网格图摆线轮与针齿接触副有限元模型分析边界条件为：齿外圈切向、径向和轴向均施加零位移约束；分布的轴承孔面径向和轴向施加零位移约束，所示。

基于ANSYS的齿轮静强度有限元分析

基于ANSYS的齿轮静强度有限元分析0 引言作为工业领域中不可或缺的配件,齿轮在汽车、航空、冶金、矿山等行业的应用越来越广泛。

齿轮在工作过程中，主要起到啮合传递作用，同时齿轮也承受各种载荷，齿轮的强度对整个传动系统有着至关重要的影响，如果齿轮强度设计不当，在工作过程中齿轮失效会导致整个传动系统无法正常工作，甚至会引起其他部件的连锁失效，同时由于齿轮长时间处于交变荷载或冲击荷载的作用,因而对于其变形和强度的分析显得尤为重要。

有限单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法,ANSYS 软件作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件,不仅有几何建模的模块,而且也支持其他主流三维建模软件,目前在工程技术领域中的应用十分广泛,其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。

求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简单的，这种简单部分就称作有限元。

它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。

类比于连接多段微小直线逼近圆的思想，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。

它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

基于ANSYS Workbench的齿轮弯曲疲劳寿命分析

析模块对１８ＣｒＮｉＭｏ７—６直齿圆柱齿轮进行弯曲疲劳寿命分析，定接触类型齿轮与支撑头接触类型为不分离接触。（５）网格的选取
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｚｄａｔａｏｆｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｓｐｕｒｇｅａｒ，ｕｓｉｎｇｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｓｐｕｒｇｅａｒｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｅｙｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｓｐｕｒｇｅａｒｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄ１８ＣｒＮｉＭｏ７－６ａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｉｓｔａｋｅｎａｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＴｈｅｏｙｓｔｅｅｌｇｅａｒｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓａｎｄＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈＦａｔｉｇｕｅＴｏｏｌａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｗｉｔｈｔｅｓｔｄａｔａ，ｉｔｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｅｃａｎｇｅｔｒｅｌａｔｅｄｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒｔｑｕｉｃｋｌｙｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈＦａｔｉｇｕｅＴｏｏｌｔｏｍｅｅｔｃｅｒｔａｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃａｓｅｓ．Ｉｔｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｓｔｓａｎｄｉｔａｌｓｏｈａｓｓｏｍｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．

基于ANSYS的直齿圆柱齿轮的有限元分析

ＴｈｅＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｅｎｄｉｎｇＳｔｒｅｓｓｆｏｒＩｎｖｏｌｕｔｅ
ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＳｐｕｒＧｅａｒＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ
ｒａｐｉｄｗａｙｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｒｏｏｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｗｈｉｃｈｉｓｍｏｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｃａｎｌｅａｄｔｏｍｏｒｅｌｉａｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓ．ｃｏｍｐｒｅａｄｗｉｍｒｅｇｕｌａｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｐｕｒＧｅａｒ；ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒａｉｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｌｏｓｅｅｉｃｆａｃｙ；ＡＮＳＭＯＢＩＬＥＡＰＰＩＩＥＤＴＥＣＨＮＯ１０ＧＹ
２０１４年第１０期
２０ｌ４Ｎ０．１Ｏ
基于ＡＮＳＹＳ的直齿圆柱齿轮的有限元分析
刘志杰
（陕西欧舒特汽车股份有限公司，陕西西安７１０１１９）摘要：利用ＰＲＯ／Ｅ强大的三维实体设计功能，精确地实现了直齿圆柱齿轮的三维建模。通过ＰＲＯ／Ｅ与ＡＮＳＹＳ的

ansys分析齿轮报告

ANSYS分析齿轮报告引言本报告旨在使用ANSYS软件对齿轮进行分析，并对分析结果进行详细讨论。

齿轮是机械传动中常用的元件，其主要功能是将动力从一个轴传递到另一个轴。

在设计和制造过程中，通过分析齿轮的性能和行为，可以有效提高其可靠性和工作效率。

分析目标本次分析的目标是评估齿轮的强度和变形情况。

通过ANSYS软件的力学分析功能，我们将使用有限元方法来模拟齿轮的工作过程，包括载荷、应力和变形等方面的分析。

模型建立在进行分析前，首先需要建立齿轮的三维模型。

我们选择使用ANSYS提供的建模工具，根据实际参数和几何形状进行建模。

在建模过程中，我们需要确定齿轮的模量、模数、齿数等参数，并考虑到齿轮的几何特征，如齿侧间隙、齿顶高度等。

材料属性齿轮的材料属性对其性能至关重要。

根据实际需求，我们选择了一种合适的材料，并在ANSYS中设置其材料属性。

常见的齿轮材料包括钢、铸铁等，其材料参数如弹性模量、泊松比等需要根据实际情况进行设置。

载荷设定在齿轮的工作过程中，承受的载荷是十分重要的。

在ANSYS中，我们可以通过施加力、扭矩或压力等载荷方式来模拟齿轮的实际工作情况。

合理的载荷设定可以更准确地分析齿轮的受力情况。

分析过程在进行齿轮的分析过程中，主要涉及到强度分析和变形分析两个方面。

强度分析强度分析是齿轮设计中重要的一部分。

在ANSYS中，我们可以使用有限元分析方法来计算齿轮的应力分布和疲劳强度。

通过合理的载荷设定和材料属性设置，可以得到齿轮在工作过程中的最大应力和应力分布情况。

变形分析变形分析是评估齿轮变形情况的重要手段。

在ANSYS中，我们可以通过施加约束和载荷来模拟齿轮的变形行为。

通过分析齿轮的变形情况，可以判断其运动精度和工作可靠性。

分析结果根据ANSYS的分析结果，我们得到了齿轮的应力分布图和变形图。

通过对结果的分析，我们可以得出以下结论：1.齿轮的应力集中区域主要集中在齿根和齿顶部分，这可能导致齿轮在高载荷下的疲劳破坏。

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基于ANSYS软件的齿轮疲劳有限元分析报告
一、概述
本次大作业主要利用ANSYS软件对齿轮的疲劳进行分析,计算出齿轮的最大寿命。

然后与实际情况进行比较,证明分析的正确性,从而为齿轮的优化分析提供了充分的理论依据，并且通过对ANSYS软件的实际操作深刻体会有限元分析方法的基本思想，对有限元分析方法的实际应用有一个大致的认识。

二、问题分析
如下图所示为某齿轮三维模型，参考图示形状，自定义尺寸，并建立一对啮合齿，施加50N*M扭矩进行齿轮接触分析，随后进行疲劳分析，分析齿轮寿命，材料为40Cr。

图1 齿轮
三、有限元建模
寿命分析之前需要进行强度分析，在Windows“开始”菜单中执行ANSYS—Workbench 命令。

创建项目A，进行静力学分析，双击左侧的static structure即可
图 2 强度分析项目
如图 3所示，40Cr材料的杨氏模量为2.1e11Pa，泊松比为0.3，密度7800kg/m3，两对齿轮的材料一致。

图 3 材料定义
双击Geometry进入几何模型建立模块，进行几何建模。

只需要建立齿轮的端面然后拉伸即可，另一对齿轮采用该齿轮进行对称偏移获取，首先建立齿轮端面草绘，为保证结构对称，只建立一半截面，如下图所示：
拉伸截面，并对称建立整个单齿，如下所示：
同理建立另一齿轮，最终模型如下所示
进入Workbench进行材料设置，其中齿轮分别设置材料为结构钢。

进行网格划分，设置网格尺寸为2mm，最终有限元网格模型如下图所示：
图7 网格设置
图8 网格模型
模拟实际情况，从动齿内圈固定，主动齿施加扭矩，如下图所示
图9 载荷约束
四、有限元计算结果
（1）位移变化，如图12所示，结果最大变形为0.2mm，
图12 位移云图
（2）等效应力计算结果，如图3所示，最大等效应力为467.4MPa
图13 等效应力云图
添加Fatigue tool进行疲劳分析，Fatigue设置如下
寿命云图如下所示，应力最大区域，寿命最小，该齿轮最多可以使用14794次，此后便会发生裂纹破坏。

五、结果正确性分析
通过计算结果来看，理论结果显示与实际情况基本一致，可以初步认定结果正确，所采用的基本假设和力的施加方式等没有出现问题。

六、改进分析
齿轮和齿轮采用绑定接触连接，认为齿轮和齿轮之间无相对滑移，实际情况齿轮啮合有可能存在滑动，而绑定接触不考虑滑动，所以可以将此处的接触改进为摩擦接触进行改进分析。

七、总结及体会
通过本次大作业，我了解了ANSYS软件的界面和基本功能，初步掌握了使用ANSYS软件求解问题基本步骤；初步掌握了使用ANSYS软件求解各种基本结构类型的静力学问题的方法。

通过使用有限元分析法可以变连续结构为离散结构,取代了传统的理论分析。

通过ANSYS软件可以比较精确地反映结构各位置的受力情况，对于复杂模型很难通过理论计算进行校核所有区域的强度，而有限元可以很好的实现这一情况，可以为实际工程设计提供指导帮助。