基于ANSYS汽车发动机前端齿轮的接触应力分析毕业论文.docx
《基于ANSYS汽车发动机前端齿轮的接触应力分析毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ANSYS汽车发动机前端齿轮的接触应力分析毕业论文.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于ANSYS汽车发动机前端齿轮的接触应力分析毕业论文
（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！
）
本科毕业设计（论文）
论文题目：
基于ANSYS汽车发动机前端齿轮的接触应力分析
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
摘要
在汽车行业中，有限元法广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎等零部件以及驾驶室噪声分析，大大提高了汽车设计水平，大幅度提高了汽车的设计水平，减少了试验次数，缩短了开发周期，正在成为设计计算的强有力工具。
利用ANSYS进行有限元计算，分析了渐开线斜齿轮啮合最不利加载线位置,并在此位置对齿轮施加载荷，提高齿轮强度分析计算的精度，为齿轮的设计提供更准确的数据。
同时，研究不同的过渡圆角对齿根最大接触应力的影响，可以为提高轮齿弯曲强度的表面硬化热处理方法提供定量依据。
本文基于CADCAE,对发动机前段齿轮做了一下几方面工作:
1．利用Proe软件强大参数建模方法建立渐开线齿轮的三维实体模型。
在PROE4.0中，通过绘制渐开线的方法创建渐开线齿轮相对来说比较复杂。
2．发动机齿轮接触应力的有限元计算
将Proe中的一对齿轮以IGES格式文件导入到ANSYS中生成有限元模型，并设置合理的接触对，对齿轮的模型及其边界条件进行适当的简化，计算出齿轮在运动过程中几个极限的接触点，再施加约束和载荷，分析这几个极限情况下，齿轮啮合的接触应力变化。
3.发动机齿轮接触应力的理论值计算
根据机械设计理论，用赫兹应力公式计算出接触应力的理论值，和有限元计算的结果进行比较分析。
发现赫兹应力公式的计算结果要比有限元大一点。
实际上，滑动的大小和方向、摩擦系数、润滑状态等，都会影响实际接触应力的大小，而赫兹应力公式没有考虑到这些因素。
通过以上三方面的工作，为齿轮简单的设计和分析提供一套有效的方法；和传统的计算方法相比，显示出有限元分析方法快速有效、降低成本的优点。
关键词：
发动机前端齿轮，有限元，接触应力，ANSYS
ABSTRACT
Intheautomotiveindustry,thefiniteelementmethodiswidelyusedinmajorautomobileassembly,comprisingaframe,body,axle,clutch,tiresandotherpartsaswellasthecabinteriornoiseanalysis,greatlyimprovingtheautomobiledesignlevel,greatlyimprovesthecar'sdesignlevel,reducetesttimes,shortenthedevelopmentcycle,isadesigncalculationofthepowerfultool.TheuseofANSYSfiniteelementcalculation,analysisofinvolute,andinthispositiononthewheelappliedload,improvetheanalysisofgearstrengthcalculationaccuracy,geardesigntoprovidemoreaccuratedata.Atthesametime,studythedifferenttransitionfilletonthetoothrootofmaximumcontactstresseffect,canimprovethetoothbendingstrengthsurfaceCADCAEsoftware,thefollowingaspectsaredonefortheenginefront-endgeartransmissionsystem:
∙Thebuildof3dmodelforenginegear
Bytheproe4.0,the3dmodelofgearisestablished.Intheproe4.0,themethodofcreatingstandardgearbydrawinginvolutewaysisquitecomplex.
∙ThecalculationofbendingstressbyFEM.
Importthethreedimensionalfiniteelementmodelofinvolutegeartothe
Softwareofansys,andthenmakeasimplificationtothemodelandboundaryconditions.Calculateseveralpointsofgearcontactintheathleticandconstraintthegear.Loadresistanceinthegearandanalysisthechangeofbendingstressofgearengagementduringthelimitcondition.
∙Thetheoreticalcalculationofbendingstress.
Accordingtothetheoryofmechanicaldesign,usethenationalstandardmethodtocalculatethebendingstressofthetheoreticalvalue.Thencomparewiththefiniteelementcalculationresult.
Throughtheworkofabovethreeaspects,asetofeffectivemethodforgeardesignandanalysisisprovided.Comparedwiththetraditionalcalculationmethod,thefiniteelementanalysismethod
目录
第一章绪论1
第一节引言1
第二节齿轮接触应力研究历史和现状1
第三节齿轮CADCAE的研究现状1
第四节有限元方法概述1
第五节ANSYS的主要功能2
第二章发动机齿轮的三维建模4
第一节几何建模技术4
第二节齿轮三维模型建立5
一、创建渐开线5
二、创建出一个齿廓8
三、创建齿根过渡曲线9
四、计算齿宽并对2D草图进行拉伸9
五、对轮齿进行阵列从而创建出完整的齿轮11
第三章齿轮静态接触应力有限元计算14
第一节齿轮传动的失效形式及设计准则14
一、失效形式14
二、设计准则16
第二节静力学分析基础16
一、结构静力学分析简介16
二、AWE静力学分析基本过程17
第三节三维齿轮模型接触应力分析17
一、模型的简化17
二、导入模型到ANSYS并添加材料信息18
三、网格划分19
四、设置边界条件21
五、分析求解24
六、求解并观察结果26
第四节分析结果概述27
一、总变形云图27
二、应力奇异27
三、齿根圆角半径大小对齿根处应力的影响28
第五章结论与展望38
第一节结论38
第二节展望38
致谢39
参考文献39
第一章绪论
1.1引言
齿轮机构是应用较为广泛的一种传动机构，齿轮齿条传动作为齿轮传动的特殊机构，可以实现直线运动与圆周运动之间转换，由于齿轮齿条传动是线接触机构，其接触应力的大小对于齿轮齿条的使用平稳性和使用寿命有着重要影响。
齿轮是传动系统中承受载荷和传动动力的主要零部件，也是最容易出故障的零件之一。
据统计，在各种机械故障中，齿轮失效就占总数的60%以上，其齿面损坏又是齿轮失效的主要原因之一。
因此，工程中需要发大量工作对齿面强度及其应力进行分析。
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。
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。
1.2课题研究背景
随着计算技术的迅速发展与广泛应用，以有限元法为代表的数值计算方法为齿轮应力和变形分析提供了一种方便、可靠的研究方法．目前齿轮工程中实用的数值解法主要有三种：
有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）和有限元法（FEM）。
在数值计算方法中最引人注目的是有限元法。
有限元法用于齿根应力分析大约起始于二十世纪六十年代末、七十年代初，此后迅速发展，国外不少研究人员如Chabert、Wilcox、户部、Chang、Bibel等都进行过这方面的研究工作．因此，在用有限元方法对直齿轮的齿根应力进行分析时，都把它简化为力学中的平面应变问题。
为了进行齿面接触强度计算，分析齿面失效和润滑状态，必须分析齿面的接触应力。
经典的齿面接触应力计算公式是建立在弹性力学基础上，而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。
由于齿轮副啮合齿面的几何形状十分复杂，采用上面的方法准确计算轮齿应力和载荷分配等问题非常困难甚至无法实现。
随着计算机的普及，齿轮接触问题的数值解法获得了越来越广泛的应用。
数值解法可以求解复杂的齿面接触问题，但不能给出一般性的函数关系。
在工程应用上数值解法具有很大的实用价值，己经取得了很多重要成果，例如有限元法、边界元法、有限差分法以及与数值方法相配合的各种变分法、实变函数法、泛函分析法等。
在所有这些方法中，有限元法的应用最为广泛，可以求解边界条件、几何形状和载荷方式复杂的工程接触问题。
轮副在工作时，在内部和外部激励下将发生机械振动。
振动系统的固有特性，一般包括固有频率和主振型，它是系统的动态特性之一，同时也可以作为其它动力学分析的起点，对系统的动态响应、动载荷的产生与传递以及系统振动的形式等都具有重要的影响。
在进行结构设计时，使激振力的频率与系统的固有频率错开，可以有效的避免共振的发生。
然而，在齿轮的设计阶段，往往很难得到齿轮固有特性的实验数据，只能通过理论计算得到进行动力学分析的参数，目前最好的方法是有限元分析法。
1.3PROE概述
ProEngineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CADCAMCAE一体化的三维软件。
ProEngineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，ProEngineer作为当今世界机械CADCAECAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CADCAMCAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
ProE第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
ProE的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
ProE采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
1．参数化设计
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
2．基于特征建模
ProE是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
3．单一数据库（全相关）
ProEngineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CADCAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
1.4ANSYS概述
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，目前，有限元法从它最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。
在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：
实体建模和网格划分。
分析计算模块
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
后处理模块
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
ANSYS软件提供的分析类型如下：
结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应力和力。
静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。
ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
结构动力学分析
结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。
ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：
瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
结构非线性分析
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。
ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种
。
动力学分析
结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。
ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。
当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
热分析
程序可处理热传递的三种基本类型：
传导、对流和辐射。
热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。
热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。
电磁场分析
主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。
还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
流体动力学分析
ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。
分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。
并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。
另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
声场分析
ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。
这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布
，或预测水对振动船体的阻尼效应。
压电分析
压电效应分析是一种结构－电场耦合分析，给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压，一个典型的压电分析的应用是压力换能器。
ANSYS压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。
这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。
可进行四种类型的分析：
静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
1.4ANSYS的接触能力
接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，分为两种基本类型：
刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触，在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。
ANSYS支持三种接触方式：
点─点，点─面，面─面，每种接触方式使用的接触单元只适用于某一类问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。
如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。
在齿轮的有限元分析问题上的接触单元为面─面的接触单元，故只介绍这一类的接触单元。
ANSYS支持刚体─柔体的面─面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe169和Targe170来模拟2─D和3—D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174来模拟。
一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常的号。
与点─面接触单元相比，面─面接触单元有以下几项优点：
1.支持低阶和高阶单元；
2.支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不对称刚度阵的选项；
3.提供工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力；
4.没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；
5.与点─面接触单元比，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间；
6.允许多种建模控制，例如：
绑定接触、渐变初始渗透、目标面自动移动到补始接触、平移接触面（老虎梁和单元的厚度）、支持死活单元。
使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模。
接触单元被约束住，不能穿透目标面，然而目标单元可以穿透接触面。
指定目标面和接触面时应考虑以下准则：
1、当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或凹面作为目标面；
2、如果一个面上的网格较细，而另一个面上的网格较粗，应指定细网格所在面作为接触面，粗网格所在面作为目标面；
3、如果两个面的刚度不同时，应当较硬的面为目标面，
升级会员 