基于ANSYS的齿轮接触非线性有限元分析.docx
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基于ANSYS的齿轮接触非线性有限元分析
XXXX大学
（硕、博士）研究生试卷本
考试课程名称有限元方法与应用
考试
考查
学科专业机械工程
学号XXXXX
姓名XXX
题目序号
1
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10
总计
评卷教师
基于ANSYS的齿轮接触非线性有限元分析
摘要：
通过研究接触问题有限元基本理论，应用大型有限元分析软件ANSYS对齿轮啮合对进行接触非线性有限元分析。
有限元处理传统解析法无法处理的啮合问题结果比传统计算公式更为准确，且可定量的分析齿轮啮合应变与应力分布情况。
关键词：
有限元；ANSYS齿轮；应变；应力
Abstract:
Bystudyingthebasictheoryoffiniteelementcontactproblem,usinglarge-scalefiniteelementanalysissoftwareANSYStothegearmeshtothecontactnonlinearfiniteelementanalysis.Thefiniteelementmeshofdealingwiththetraditionalanalyticmethodcannothandleproblemsmoreaccurateresultsthanthetraditionalcalculationformula,andthequantitativeanalysisofthegearmeshingofstrainandstressdistribution.
Keywords:
finiteelement;ANSYSgear;strain;stress
一、研究背景
接触是一种常见的物理现象，它涉及到接触状态的改变，还可能伴随有热、电等过程，因此成为一个复杂的非线性问题。
齿轮啮合就是一种接触行为，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。
相对与理论分析，有限元法具有快速、准确可靠、计算灵活等优点，因此用有限元法做齿轮的接触分析对于研究齿轮的失效具有重要意义。
齿轮传动装置在运行工况下常常会发生轮齿折断、齿面损伤、塑性变形等问题，导致传动性能失效，进而可能引发严重的生产事故，因而有必要对齿轮接触状态的强度性能进行合理的评估，校核其结构的可靠性。
二、分析过程
1、定义工作文件名和目标工作标题
（1）定义工作名
执行UtilityMenu>File>ChangeJobname命令，弹出ChangeJobname对话框，输入工作文件名Gear。
（2）定义工作标题
执行UtilityMenu>File>ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle对话框，输入thecontactanalysisofgear。
2、定义单元类型
执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，弹出ElementType对话框，单击Add按钮，弹出LibraryofElementType对话框。
在LibraryofElementtypes选择框中选择StructuralMass,SolidBrick20node95,在ElementtypeReferencenumber文本框中输入2。
在LibraryofElementtypes选择框中选择Contact3DTarget170,在ElementtypeReferencenumber文本框中输入2。
在LibraryofElementtypes选择框中选择Contact3D8ndsurf174,在ElementtypeReferencenumber文本框中输入3。
3、定义材料性能参数
图1材料线性设置对话框
4、生成几何模型、划分网格
（1）输入几何体
输入三维齿轮模型文件
（2）打开实体移动、缩放和旋转工具条
执行UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,Zoom,Rotate命令，出现Pan-Zoom-Rotate工具条，单击Iso按钮，输入的单个齿轮几何模型如图2所示：
图2单个齿轮几何模型
（3）生成传动齿轮对
执行MainMenu>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Volumes命令，弹出GlueVolumes拾取框，单击PickAll按钮完成选择。
执行MainMenu>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes命令，弹出AddVolumes按钮，单击PickAll按钮完成选择。
确认当前坐标系为总体直角坐标系，然后执行MainMenu>Modeling>Copy>Volumes命令，弹出CopyVolumes拾取框，然后单击PickAll按钮完成选择，又弹出CopyVolumes设置框，如图3所示，在DX文本框输入6.5，完成设定。
图3体复制设置对话框
执行UtilityMenu>Workplace>ChangeActiveCSto>GlobalCylindrical命令，将当前坐标系切换到柱坐标系。
执行MainMenu>Modeling>Move/Modify>Volumes命令，弹出MoveVolumes拾取框，然后用鼠标拾取编号为2的体素，然后单击OK按钮，弹出MoveVolumes对话框，在DY文本框中输入6.5。
最后生成的传动齿轮对如图4所示：
图4齿轮传动模型
（4）网格划分
执行MainMenu>Meshing>MeshTool命令，弹出MeshTool对话框，设置SmartSize值为10，然后设置Shape为Tet,模式为Free，单击Apply按钮，弹出MeshVolumes拾取框，然后单击PickAll按钮，划分网格后单击Close按钮关闭该对话框。
执行UtilityMenu>Plot>Elements命令，程序图形工作区将显示网格划分的模型，如图5所示：
图5齿轮模型网格
5、利用接触向导生成接触
执行MainMenu>Modeling>Create>ContactPair命令，弹出ContactManager接触向导对话框，如图6所示：
图6接触向导对话框
（1）设定目标面
单击ContactManager对话框上顶端最左边的按钮新建接触时，弹出ContactWizard对话框，如图7所示，通过此对话框可设定目标面。
设定目标面类型为Areas,单击PickTarget按钮，弹出SelectAreasforTarget拾取框，选择编号为271的面，然后单击OK按钮完成选择。
图7目标面选择对话框
（2）设定接触面
完成目标面的选择后，单击Next按钮，弹出如图8所示对话框，可设定接触面，单击PickContact按钮，弹出SelectAreasforContact拾取框，选择编号为342的面，然后单击OK完成选择。
图8接触面选择对话框
单击ContactWizard对话框上的Next按钮，完成该接触面对接触面的设定，又弹出如图9所示的接触参数设定对话框。
图9接触参数设定对话框
（3）设定接触参数
在图9的对话框中，单击Optionalsettings按钮，弹出ContactProperties对话框，如图10所示。
在Basic选项卡下设置法线接触刚度为0.1，在InitialAdjustment选项卡下设置InitialContactClosure为0.01，然后单击OK完成接触属性设置并关闭该对话框。
图10接触对属性设置对话框
（4）生成接触
在图9所示的对话框中，单击Create按钮即可完成接触对的创建。
6、加载求解
（1）设定分析类型
执行MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis命令，弹出NewAnalysis对话框，选择分析类型为Static。
（2）设定求解控制选项
执行MainMenu>Solution>AnalysisType>Sol’nContrls命令，弹出SolutionControls对话框，单击Basic选项卡，选择LargeDisplacementStatic变形模式，设定求解时间为1，打开自动时间步长，子步数50，最大子步数100，如图11所示：
图11求解控制基本选项设置对话框
单击Nonlinear选项卡，在该对话框中，将Linesearch项置为On，同时将DOFsolutionpredictor项置为Onforallsubstep,如图12所示：
图12求解控制非线性选项设置对话框
（3）设定边界条件和载荷
执行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>onAreas命令，弹出ApplyU，ROTonAreas拾取菜单，然后用鼠标在模型上拾取齿轮体1和体2的内圆面，单击Apply按钮，弹出ApplyU，ROTonAreas对话框，，选择AllDOF,单击Apply按钮。
执行MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes命令，弹出ApplyF/MonNodes拾取菜单，然后拾取编号为3439的节点，单击OK按钮，弹出ApplyF/MonNodes对话框，在Directionofforce/mom项选择FX，在Force/momentvalue文本框中输入-20，然后单击Apply按钮。
同样的，又通过ApplyF/MonNodes拾取菜单，选择编号为1848的节点，然后单击OK按钮，在弹出的对话框中，Directionofforce/mom项选择FX，在Force/Momentvalue文本框中输入20，然后单击OK完成扭矩的施加。
（4）求解
执行UtilityMenu>Select>Everthing命令，选择所有实体。
执行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令，开始求解。
求解结束时，执行UtilityMenu>File>Saveas命令，弹出SaveDatabase对话框，在SaveDatabase对话框SaveDatabaseto文本框中输入Result.db，保存上述数据结果。
7、查看求解结果
（1）读取数据
执行MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>LastSet命令，读取最后一步的求解数据结果。
（2）查看变形结果
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape命令，弹出PlotDeformedShape对话框，在KUNDItemstobepiotted选项中选择DefShapeonly选项，单击OK按钮，绘制的变形结果如图13所示。
图13结构变形图形显示
（3）查看位移结果
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodeSolu命令，弹出ContourNodalSolutionData对话框，在Itemtobecontoured选项框中选择DOFsolution>X-Componentofdisplacement,其余选项采用默认设置，单击OK按钮，ANSYS图形窗口绘制的X方向位移等值线结果如图14所示。
类似地，在Itemtobecontoured>DOFsolution选项中，设定为Y-Componentofdisplacement、Displacementvectorsum，则可查看Y方向或位移幅值的等值线结果。
（4）查看应力结果
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodeSolu命令，弹出ContourNodelSolutionData对话框，在Itemtobecontoured选项框中选择Stress>X-Componentofstress,其余选项采用默认设置，单击OK按钮，图形显示的X方向应力等值线结果如图15所示。
图14X方向位移等值线图
图15X方向应力等值线图
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodeSolu命令，弹出ContourNodelSolutionData对话框，在Itemtobecontoured选项框中选择Stress>vonMisesstress,其余选项采用默认设置，单击OK按钮，图形显示的等效应力等值线图如图16所示。
（5）查看接触结果
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodeSolu命令，弹出ContourNodelSolutionData对话框，在Itemtobecontoured选项框中选择Contour>Contactpressure,其余选项采用默认设置，单击OK按钮，图形显示的接触应力等值线图如图17所示。
图16等效应力等值线图
图17接触应力等值线图
三、归纳总结
通过输入单个齿轮的几何模型，然后进行复制、移动和旋转建立了传动组的接触模型，分析了该结构在扭矩作用下的接触行为，得到了齿轮的变形、应力和接触相关的结果数据，从而为结构强度性能的分析与评估提供可靠的数值依据。
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