abaqus有限元分析

Abaqus分析报告

（齿轮轴）

名称：Abaqus齿轮轴

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指导教师：

一、简介

所分析齿轮轴来自一种齿轮泵，通过用abaqus软件对齿轮轴进行有限元分析和优化。齿轮轴装配结构图如图1，分析图1中较长的齿轮轴。

图1.齿轮轴装配结构图

二、模型建立与分析

通过part、property、Assembly、step、Load、Mesh、Job等步骤建立齿轮轴模型，并对其进行分析。

1.part

针对该齿轮轴，拟定使用可变型的3D实体单元，挤压成型方式。

2.材料属性

材料为钢材，弹性模量210Gpa，泊松比0.3。

3.截面属性

截面类型定义为solid，homogeneous。

4.组装

组装时选择dependent方式。

5.建立分析步

本例用通用分析中的静态通用分析（Static，General）。

6.施加边界条件与载荷

对于齿轮轴，因为采用静力学分析，考虑到前端盖、轴套约束，而且根据理论，对受力部分和轴径突变的部分进行重点分析。

边界条件：分别在三个轴径突变处采用固定约束，如图2。

载荷：在Abaqus中约束类型为pressure，载荷类型为均布载荷,分别施加到齿轮接触面和键槽面，根据实际平衡情况，两力所产生的绕轴线的力矩方向相反，大小按比例分配。

均布载荷比计算：

矩形键槽数据：

长度：8mm、宽度：5mm、高度：3mm、键槽所在轴半径：7mm

键槽压力面积：S1 = 8x3=24mm2 平均受力半径：R1=6.5mm

齿轮数据：=

齿轮分度圆半径：R2 =14.7mm、压力角：20°、

单个齿轮受力面积：S2 ≈72mm2

通过理论计算分析，S1xR1xP1=S2xR2xP2，其中，P1为键槽均布载荷

幅值，P2为齿轮均布载荷幅值。

键槽均布载荷幅值和齿轮均布载荷幅值之比约为P1：P2≈6.3 。取键槽均布载荷幅值为1260,齿轮载荷幅值为200.

由于键槽不是平面，所以需要切割，再施加均布载荷。

图3 键槽载荷施加

比较保守考虑，此处齿轮载荷只施加到一个齿轮上。

图4 齿轮载荷施加

图5.施加约束条件和载荷的齿轮轴模型

7.网格划分

采用六面体划分的网格如下图：

图6 六面体网格划分图六面体划分网格部分细节图：

经过各种划分没能成功，转而采用四面体结构划分，如下图：

图7 四面体网格划分图

8.提交分析（iob）、结果（Visualization）

图8 应力分析图

图9 位移分析图

从应力分析图看出，在齿轮轴轴径突变的地方应力值大，与理论相符合，在键槽施加力的面应力值大，符合圣维南原理。

从位移分析图看出，在齿轮施加力的地方位移最大，因为轴径大。

部分细节形变图：

变形前变形后

从细节图中可以看出，轴在变形过程中还会产生弯曲变形，与受力分析的弯矩相符合。

三、优化

通过上述分析可以看出，齿轮轴轴径突变地方的应力突变比较明显，采用边倒圆进行优化。另外，齿轮位移明显的地方可以通过调整齿轮变位系数和压力角进行优化；在条件允许情况下，键槽受力处可以通过改变键槽的尺寸进行优化。

当然，还可以通过采用先进的材料、加工工艺等增强材料性能。

另一方面，在能满足条件情况下，可以通过减小尺寸来进行减重等优化，优先考虑非应力集中处。

下面以采用边倒圆进行优化为例分析，并对优化前和优化后的模型进行对比分析。主要从优化前后的应力图与位移图对比分析。

优化前应力分析图

优化后应力分析图

优化前位移分析图

优化后位移分析图

从优化前后的应力分析图和位移分析图中，可以看出优化前，应力分布幅值为2.804x10^3,优化后应力分布幅值为2.228x10^3,而且应力幅值的分布也有所变化，应力幅值从优化前的齿轮轴轴径突变处转移到键槽处，说明优化效果明显，即采用边倒圆进行优化，可以显著减少齿轮轴轴径突变地方的应力。另外，从优化前后的位移分析图中，可以看出优化前，位移分布幅值为0.1162，优化后位移分布幅值,0.09492。