基于workbench的发动机前端齿轮接触应力分析.docx
《基于workbench的发动机前端齿轮接触应力分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于workbench的发动机前端齿轮接触应力分析.docx（36页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于workbench的发动机前端齿轮接触应力分析
本科毕业设计（论文）
题目:
基于ANSYS的发动机前端齿轮的强度分析
学院:
专业:
班级:
学号:
学生姓名：
指导教师:
职称:
二○一年月日
摘要
发动机作为汽车部件中最为关键的因素，其工作状态和产品质量一直是工程技术人员需要关注的重要问题。
齿轮作为发动机传动动力的关键零件，它的强度和使用寿命则是决定发动机使用效率的关键因素，提高齿轮的强度和使用寿命一直是汽车发动机制造业在研究的问题。
本文基于CAD/CAE的思想，利用三维造型软件UG对发动机齿轮进行三维造型，建立外啮合渐开线直齿轮的精确模型。
通过国际知名的有限元分析软件ANSYS对该模型进行工作状态的模拟仿真，计算啮合时的接触点，施加载荷和约束，研究各个极限位置轮齿所受的应力状态，得到齿面接触应力的分布状态和轮齿弯曲应力的分布状态，从而得到有利于提高齿轮强度的重要参数。
通过使用以上的方法，简单有效，快速的得到齿轮的一系列分析结果和数据。
与传统方法相比，体现了三维建模和有限元分析的便捷性，准确性，有利于降低成本，提高研发效率。
关键词：
齿轮；强度；三维建模；有限元
ABSTRACT
theengineisthemostimportantfactorofacar,itsworkingstateandqualityisalwaysanimportantproblemthatengineeringandtechnicalpersonnelneedtopayattentionto.Agearasthekeypartsoftheenginetransmission,Itsstrengthanddurabilityisthekeyfactorthatdeterminestheefficiencyoftheengine.Howtoimprovethestrengthandservicelifeofgearofautomotiveenginehasbeenaproblemmanufacturingindustryhasstudyingformangyears.ThispaperisbasedontheideaofCAD/CAE,usingthree-dimensionalmodelingsoftwareUGtomodeltheenginegearandestablishanaccuratemodelofexternalinvolutespurgear.ThesimulationofworkingconditionofthemodelthroughthefiniteelementanalysissoftwareANSYS,theinternationallyrenowned.Applyloadandconstraintconditions,studyonthelimitpositionofthetoothstressstate,getthetoothsurfacecontactstressdistributionandthetoothbendingstressdistribution,whichisbeneficialtoimprovetheimportantparametersofgearstrength.
Throughtheabovemethodthatissimpleandeffective,aseriesofanalysisresultsandthedataofgearcanbeachievedquickly.Comparedwiththetraditionalmethod,3Dmodelingandfiniteelementanalysisreflectstheconvenience,accuracy,helpstoreducethecost,improvetheefficiencyofresearchanddevelopment.
KEYWORDS:
Gear；Strength；3Dmodeling；Finiteelement
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录III
第一章绪论1
1.1引言1
1.2课题研究背景1
1.3UG概述2
1.4ANSYSWorkbench概述3
第二章发动机齿轮的三维建模5
2.1发动机前端齿轮的基本参数和尺寸5
2.2齿轮基本造型5
2.3从动轮的造型和啮合7
2.4前端齿轮组造型9
2.5本章小结11
第三章齿轮静态应力的有限元分析12
3.1有限元法的基本过程12
3.3齿轮的静态接触应力分析13
3.3.1接触分析简介13
3.3.2接触应力有限元分析14
3.4齿轮的弯曲应力有限元分析20
3.4.1模型的建立和导入20
3.4.2添加约束和载荷20
3.4.3划分网格和定义求解21
3.5本章小结23
第四章齿轮接触应力理论计算24
4.1齿轮接触疲劳强度校核24
4.2齿轮弯曲应力强度校核25
4.3分析结果对比26
4.4本章小结27
第五章结论28
5.1总结28
5.2改进与不足29
致谢30
参考文献31
第一章绪论
1.1引言
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。
齿轮传动的主要特点有：
1）效率高。
在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。
如一级圆柱齿轮传动的效率可达99%。
这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1%，也有很大的经济意义。
2）结构紧凑。
在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小。
3）工作可靠，寿命长。
设计制造正确合理，使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一二十年，这也是其他机械传动所不能比拟的。
这对车辆及在矿井内工作的机械尤为重要。
4）传动比稳定。
传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。
齿轮传动获得广泛的应用，也就是由于具有这一特点。
齿轮传动的失效主要是因为轮齿的失效，而轮齿的失效形式也是多种多样的，较为常见的是轮齿折断和工作齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等。
为了降低齿轮的失效率，提高齿轮的强度，设计合理的结构成为了制造合理可靠的传动装置的关键问题。
1.2课题研究背景
随着计算技术的迅猛发展与广泛应用，以有限元法为代表的数值计算方法为齿轮的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，边界元法和有限元法。
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，此后迅猛发展。
在用有限元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的计算，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的计算齿轮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，但不会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，已经取得了很多重要成果。
轮副在工作时，在内部和外部激励下将发生机械振动，振动系统的固有热性一般包括固有频率和主阵型，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发生。
然而，在齿轮设计阶段，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，目前最好的办法是有限元分析法。
1.3UG概述
UG是集CAD/CAM/CAE于一体的三维机械设计平台，也是当今世界上应用广泛的计算机辅助设计、分析与制造软件之一，在汽车、交通、航空航天、通用机械及电子工业等工程设计领域都有大规模的应用。
UG提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。
NX8.5引入了一些新仿真功能，增加了新的优化和多物理场解算方式，有助于更快速的制作和更新精度更高的分析模型，加快NC编程和加工速度、形成质量检测闭环、管理工装库，而且可以将NC工作数据包直接连接到车间，从而提升零件的制造效率。
UGNX8.5软件包含了众多适应不同需求的功能模块，按功能大致可分为CAD模块，CAM模块，CAE模块和其他专用模块。
CAD模块中有包含：
1.零件建模应用模块零件建模应用模块是其他应用模块实现其功能的基础。
由他建立的几何模型广泛应用于其他模块。
新模型建立时，模块能够提供一个实体建模的环境，从而使用火狐快速实现概念设计。
用户可以交互式地创建和编辑组合模型，仿真模型和实体模型，可以通过直接编辑实体的尺寸或者通过其它构造方法来编辑和更新实体特征。
2.外观造型设计应用模块该模块是为工业设计应用提供的专门设计工具，为工业设计师提供了产品概念设计阶段的设计环境，它主要用于概念设计和工业设计，如汽车开发设计的早期概念设计等。
创建新模型时可以打开【外观造型设计】模块，它包括用于概念阶段的基本选项，如创建并且可视化最初的概念设计，也可以逼真的再现产品造型的最初曲面效果图。
3.图纸应用模块是让用户从在建模应用中创建的三维模型，或使用内置的曲线/草图工具创建的二维设计布局来生成工程图纸。
在图纸模块中生成制图的最大优点是，创建的图纸都和模型完全相关联。
当模型发生变化后，该模型的制图也将随之发生变化。
这种关联性使得用户修改或者编辑模型变得更方便。
4.装配建模应用模块【装配】模块为用户提供了装配部件的一些工具，能够使用户快速地将一些部件装配在一起，组成一个组件或者部件集合。
用户可以增加部件到一个组件，系统将在部件和组件之间建立一种联系。
这种联系能够使系统保持对组件的追踪，当部件更新后，系统将根据这种联系自动更新组件。
此外用户还可以生成爆炸图。
它支持“自顶向下建模”、“从底向上建模”和“并行装配”的建模方式。
1.4ANSYSWorkbench概述
自ANSYS7.0开始，ANSYS公司推出了ANSYS经典版（MechanicalAPDL）和ANSYSWorkbench版两个版本，并且目前均已开发至15.0版本。
Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。
面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS公司提出的观点是：
保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。
ANSYSWorkbench14.5所提供的CAD双向参数链接互动，项目数据自动更新机制，全面的参数管理，无缝集成的优化设计工具，使ANSYS在仿真驱动产品设计方面达到了前所未有的高度。
同时workbench具有强大的结构、流体、热、电磁及其相互耦合分析的能力。
它采用的平台可以精确地简化各种仿真应用得工作流程，同时提供多种关键的多物理场解决方案、前处理和网格划分强化功能，以及一种全新的参数化高性能计算（HPC）许可模式，可以使设计探索工作更具拓展性。
基于Workbench的仿真环境有三点与传统仿真环境有所不同：
·客户化：
Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境，而且用户自主开发的API与ANSYS已有的API平等。
这一特点也称为“实施性”；
·集成性：
Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用；
·参数化：
Workbench对CAD系统的关系不同寻常。
它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。
按照软件本身的流程结构，可以分为前处理、求解、通用后处理、时间历程后处理4个模块。
前处理生成能够代表现实对象的模型，即有限元模型。
基本方法有四种：
直接生成有限元模型、建立几何模型在划分有限元、直接导入工程软件制作的有限元模型、导入工程软件的几何模型再划分有限元。
有限元模型需要几何形状、材料参数、需要设置单元类型、单元实常数。
求解对所建立的有限元模型进行分析求解，在该模块中用户可以定义分析类型（静态分析、瞬态分析、模态分析、谐响应分析、谱分析等），然后根据分析类型定义分析选项、设置载荷（集中载荷、界面载荷、体载荷、惯性载荷耦合场载荷等）和载荷步选项。
通用后处理计算完成后，可以通过后处理器观察结果。
通用后处理器观察整个模型或者选定的部分在某个子部或时间步的计算结果。
可以获得各种应力场、应变场、温度场的等值线显示，变形形状显示以及相应结果列表。
时间历程后处理用于查看模型的特定点在某个或所有时间步内的计算结果。
可以获得数据对时间或频率的关系图形及列表，还可以进行变量之间的运算，并能够从时间历程结构中生成谱响应。
1.5本章小结
本文通过利用UG软件的三维造型能力和ANSYS软件的有限元分析对齿轮传动过程中轮齿受到的接触应力和齿根的弯曲应力进行分析，相比传统的有限元计算方法，不仅节省了大量的时间和物资，而且在结果上也更加直观和精确。
第2章发动机齿轮的三维建模
2.1发动机前端齿轮的基本参数和尺寸
表2.1齿轮参数
2.2齿轮基本造型
1.打开NX8.5新建一个模型，如图2.1
图2.1
2在菜单栏中选择GC工具箱——齿轮建模——圆柱齿轮，弹出以下界面，点击确定。
如图2.2
图2.2齿轮类型
3选择使用滚齿加工的外啮合直齿轮，确定之后根据要求设置主动轮的参数，模数m=4mm，牙数即齿数z=110，齿宽b=40mm，压力角?
=20°，建模精度使用中确定即可。
图2.3齿轮参数设定
然后选择矢量方向，这里使用沿XC方向，点击确定之后选择坐标原点为绝对原点。
图2.4
设定完成之后点击确定，UG会自动根据参数完成齿轮的基本轮廓和轮齿齿轮的造型。
2.3从动轮的造型和啮合
前几部操作和a1齿轮一致，a2齿轮参数如图，矢量方向仍然选择XC方向，输出坐标的绝对坐标上向Y轴偏移360mm，即两齿轮的中心距的值。
确定之后得到从动轮的三维模型。
图2.5从动轮的设置
齿轮基本造型结束后仔细观察可以发现主动轮和从动轮的轮齿接触存在相交，这在有限元分析时会出现错误，因此需要进行正确的啮合。
如图2.6
图2.6错误的啮合
在菜单栏选择GC工具箱——齿轮建模——齿轮啮合。
出现如图框体，依次点击a1（generalgear），设置主动齿轮；再点击a2（generalgear），设置从动齿轮。
然后选择中心连线向量，方向选择YC轴向，确定结束。
图2.7啮合参数设定
操作结束后重新观察齿面接触，发现啮合的非常好，如图2.8。
图2.8正确的啮合
2.4前端齿轮组造型
在主动轮表面为草图平面，坐标原点为圆心画直径为190mm，370mm的两个圆，然后使用拉伸命令向齿轮内部拉伸15mm，布尔操作为求减。
图2.9腹板造型
建立一个平行于YZ平面过齿轮中心的基准面，对上一步拉伸特征进行镜像。
从而完成齿轮两面的腹板凹槽。
图2.10基准面生成
根据尺寸要求，对主动轮和从动轮造型轴孔，同样使用拉伸—布尔减运算，按照要求使用同样操作对喷油泵传动齿轮，凸轮轴传动齿轮造型，啮合（注意造型时选择的原点应按照各个齿轮配合的中心距确定）。
最后得到完整的发动机前端齿轮模型。
图2.11发动机前端齿轮组
2.5本章小结
通过对发动机齿轮的造型设计，对UG这款三维造型软件有了进一步的认识，熟悉了在三维建模过程中各种基本操作，草图绘制、坐标系设定、拉伸、阵列、镜像和布尔操作等。
通过齿轮的生成，更加了解齿轮各个参数的具体含义，熟悉齿轮配合过程中的各项参数，对轮齿的啮合有了更加直观的映像。
齿轮在传动过程中，通过轴带来的扭矩会以接触应力的形式呈现在互相啮合的两个轮齿的齿面上，包括垂直齿面的压力，平行齿面的摩擦力以及轴向力。
这些力会对齿根产生一个弯矩，如果弯矩过大会造成轮齿的断裂从而使齿轮失效。
因此通过有限元分析，得到齿轮的应力分布图，对解决齿轮失效具有重要意义。
第三章齿轮静态应力的有限元分析
3.1有限元法的基本过程
1.建立微分方程
根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式。
2.区域单元剖分
根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干个相互连接又不重叠的单元。
区域单元剖分是采用有限元方法的前期准备工作，工作量比较大，要给计算单元和节点进行编号和确定相互间的关系，还要表示节点的坐标位置，同时需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。
3.确定单元基函数
根据单元节点的数目及对近似值精度的要求，选择满足一定插值条件的插值函数作为单元的基函数。
有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。
4.单元分析
将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性表达式进行逼近，再将近似函数带入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数的代数方程组，称为单元有限元方程。
5.总体合成
得出单元有限元方程后，将区域中所有的单元有限元方程按照一定法则进行累加，形成总体有限元方程。
6.边界条件处理
一般，边界条件有三种形式：
本质边界条件、自然边界条件和混合边界条件。
对于自然边界条件，一般在积分表达式中可以自动得到满足，对于本质边界条件和混合边界条件，需要按照一定的法则对总体有限元方程进行一定的修正满足。
7.求解有限元方程
根据边界条件修正的总体有限元方程组是含所有待定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可以求得各节点的函数值。
3.3齿轮的静态接触应力分析
3.3.1接触分析简介
两个独立表面相互接触并相切，称之为接触。
一般物理意义上，接触的表面包含如下特征：
1.不会渗透。
2.通常不传递法向拉伸力，既可自由分离和互相移动。
3：
可传递法向压缩力和切向摩擦力。
从物理意义上说，接触体之间不相互渗透，所以，程序必须建立两表面间的相互关系以阻止分析中的相互渗透。
程序阻止渗透称为强制接触协调性。
WorkbenchMechanical提供了几种不同的接触公式来在接触截面强制协调性。
对非线性实体表面接触，可以使用罚函数或者增强拉格朗日公式。
1.两种方法都是基于罚函数方程：
Fnormal=knormal*xpenetration；
2.这里对于一个有限的接触力Fnormal，存在一个接触刚度K的概念，接触刚度越高，穿透量Xpenertration越小。
3.对于理想无限大的Knormal，零穿透，但对于罚函数法，这在数值计算中是不可能的，但是只要Xpenetration足够小或者可忽略，求解的结果就是正确的。
PurePenalty和AugmentedLagrange方法的区别就是后者加大了接触力的计算。
罚函数法：
Fnormal=knormal*xpenetration
增强拉格朗日法：
Fnormal=knormal*xpenetration+λ
因为额外因子λ，增强拉格朗日法对于罚刚度Knormal的值变得不敏感。
增强拉格朗日法增加了额外的自由度（接触压力）来满足接触协调性。
因此，接触力（接触压力）作为一额外自由度直接求解，而不通过接触刚度和穿透计算得到。
因此，此方法可以得到0或接近0的穿透量，也不需要压力自由度法向接触刚度（零弹性滑动），但是需要直接求解器，这样需要消耗更多的计算代价。
3.3.2接触应力有限元分析
（1）打开ANSYSWorkbench软件，创建新的静态分析工程（StaticStructural），从左侧toolbox选中StaticStructural并拖动到如图3.1的位置创建新的分析工程。
图3.1创建工程
然后编辑材料参数，右击A2栏选择Edit，齿轮使用的材料是20CrMnTi，泊松比是0.3.如下图设置材料参数（与系统默认相同）。
完成后点击右上角ReturntoProject。
图3.2材料参数
（2）为了便于进行有限元分析，将前端齿轮组进行简化，选择曲轴齿轮和中间齿轮的简化模型进行研究。
先通过三维造型软件将模型输出为igs格式文件。
然后通过A3栏右击导入模型，导入之后双击进入DM界面，点击Genergte重新生成模型。
图3.3简化分析模型
（3）轮齿接触的设定
双击Mesh进入AM界面，ANSYS能够对模型自动进行接触面的认定，点击左侧Connections—contracts可以看到软件自动对模型设定的接触面，这里直接使用系统的接触定义，接触类型和参数如图。
图3.4接触对
（4）网格划分。
Workbench提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能，它包括延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分中网格划分的方法。
其中，延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格；映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成影响网格；自由网格划分功能十分强大，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦；自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
划分网格的一些注意事项：
1）网格数量网格数量[18]的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小，网格划分密度过于小的话，结果可能包括严重的错误，导致分析不准确；划分密度过于大的话，将花费过多的计算成本，浪费计算机资源，而且计算机配置不高的话还可能导致计算不能运行。
2）网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。
3）网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。
质量好坏将影响计算精度，质量不高网格有时会终止计算。
右击左侧菜单栏里的Mesh插入Method，选择网格划分的方法为自适应划分（automatic），选择两个齿轮，完成网格的划分。
如图3.5
（5）添加边界条件
边界条件的添加包括约束和载荷。
对于进行静态接触应力的分析，对从动轮的进行全约束。
可以在轴的圆周面或者齿轮侧面施加一个固定约束Fixedsupport；对主动轮除了绕X轴方向的旋转，其他自由度都进行约束。
在轴的圆周面施加一个Cylindricalsupport。
最后在主动轮圆周上
升级会员 