基于ANSYS的双圆弧齿轮静态接触有限元分析.doc

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1、宁夏大学新华学院2012届毕业设计 目 录1、概述11.1前言11.2研究的背景、内容及意义11.2.1本文研究的课题背景11.4圆弧齿轮的使用与发展概况31.5国外圆弧齿轮研究与应用概况41.6国内圆弧齿轮的研究与应用51.6.1发展概况52、端面圆弧齿轮二维图的绘制方法73、基于ANSYS的双圆弧齿轮静态接触有限元分析113.1有限元介绍113.2ANSYS介绍113.3ANSYS软件提供的分析类型123.4ANSYS接触分析模块简介133.4.1一般的接触分类133.4.2ANSYS接触能力133.4.3执行接触分析153.4.4接触分析的步骤163.5双圆弧齿轮三维实体模型的建立163

2、.5.1定义单元类型和材料属性163.6二维模型的建立183.6.1对二维齿廓图进行网格划分183.7三维模型网格划分213.8接触分析的加载273.9圆弧齿轮接触强度计算304 结论32参考文献33致谢35外文翻译36491、概述1.1前言齿轮传动是现代各类机械传动装置中应用最广的一种基本传动形式。它是靠主动轮的轮齿依次推动从动轮的轮齿来传递运动和动力的，可以传递任意配备的平行轴、相交轴及相错轴之间的回转运动。因此齿轮传动技术成为机械工业的重要组成部分，在一定程度上标志着一个国家机械工业的水平。由于齿轮传动在机械行业乃至整个国民经济中的地位和作用，齿轮传动被公认为工业和工业化的象征。齿轮传动

3、的发展和生产的发展密切相关。在古代的齿轮传动中，由于齿轮传动的转速低、功率小，齿廓曲线采用最简单的直线。随着生产的发展，轮齿齿廓的选择就显得十分重要。1765年，欧拉(Leonardo Euler)提出以渐开线作为轮齿齿廓曲线，这就是所谓的渐开线齿轮。渐开线齿轮由于中心距的可分性及制造、测量方便等许多优点，得到广泛应用，但也存在着如下缺点:（1）由于啮合面之间滑动速度的不一致，造成齿面的磨损、发热、传动不平稳性和效率低下，以及使用寿命的缩短等。（2）渐开线齿轮是凸齿对凸齿的啮合传动，其相对曲率半径小，致使接触强度低，承载能力受到限制。为了提高齿轮传动的承载能力和平稳性，以适应生产发展的要求，科

4、学工作者们做出了巨大的努力，他们将渐开线齿轮凸面与凸面相接触，改变成凹形齿廓与凸形齿廓之间的啮合，从而增大了相对曲率半径，提高了接触强度。这种新型点啮合制的齿轮传动，被称之为圆弧齿轮传动。1.2研究的背景、内容及意义1.2.1本文研究的课题背景圆弧齿轮具有承载能力高、跑合性能好、寿命长等优点, 在农业运输机械、石油化工、矿山、汽轮机、航空直升机等领域得到广泛应用，并在生产中发挥了巨大的作用。目前工业界使用的以及学术界研究的是单圆弧或双圆弧齿轮，即齿廓曲线由单个或两个圆弧组成。单圆弧齿轮单个齿在一个轴向齿距内同时最多只有一个啮合点，双圆弧齿轮较单圆弧齿廓齿轮传动相比多了一个啮合点，承载能力也提高

5、了近一倍。1.2.2本文研究的意义齿轮机构作为传递运动和动力的装置在民用和国防工业中有着举足轻重的作用，特别是重量轻，体积小，传递功率大，躁声低，可靠性高，寿命长的齿轮传动对提升我国军用飞行器之档次意义重大。美国国家航空航天局（NASANational Aeronautics and Space Administration）与美国陆军（US Army）的联合研究机构Lewis Research Center长期资助齿轮方面的研究，一位名叫Faydor L. Litvin的专搞齿轮的教授（University of Illinois at Chicago）因此而硕果累累。他们的主要目的是为了提

6、高和改善军用直升机驱动系统的性能,以适应现代战争的需要。这说明超级大国为了国防科技的领先十分重视齿轮的研究（设计理论，方法及加工手段）。一些发展中国家的大学研究人员也在齿轮的研究和工业应用方面投入了很大精力，作出了优秀的工作。齿轮在装备制造业作为量大面广的基本传动元件，其研究主要集中在发明新的齿轮传动方式，发现新齿轮齿廓曲线，发明新的或改进现有的齿轮加工方法，改善已有齿轮齿廓的设计等。其中，提出新的齿轮齿廓曲线与啮合原理往往能使齿轮传动的综合性能产生质的变化。双圆弧齿廓曲线齿轮传动的发明既是一例，它在很多方面大大优于传统的渐开线齿轮传动，已经在冶金，化工，煤炭，造船，航空等领域发挥了巨大作用。

7、双圆弧齿廓曲线齿轮传动的主要优点在于：相互啮合的两齿廓凹凸接触，HERTZ应力很小；与单圆弧齿廓齿轮传动相比多了一个啮合点，理论上齿轮承载能力提高一倍；抗点蚀，抗胶合，抗磨损能力强，传动效率高。1.3圆弧齿轮发展简史1922年，Vickers-Bostock-Bramley研究了一种凸凹面相啮合的齿形，称为VBB齿轮，其齿廓曲线本质上是摆线(凸齿为长幅外摆线，凹齿为长幅内摆线)，试验表明，这种齿形具有较高的承载能力，它用于船上，在一次远航中不幸发生断齿事故，使这种齿形的应用受到影响。1926年，Eruest Wildhaber提出了法面为圆弧齿形的斜齿轮，并取得了专利(USP1601750)，

8、鉴于VBB齿轮的断齿事故，这种齿形未被工业界采用。1956年，苏联人诺维柯夫（Novikov）完成了圆弧齿轮齿形的实用研究，提出端面为圆弧的齿形方案，但为了制造方便，建议采用法面齿廓为圆弧，并获得苏联专利（USSR,Pat.No.109113,1956)，试验表明，这种齿轮的承载能力是同尺寸渐开线齿轮的3-4倍，且传动中齿面易形成动压油膜，因而，这种齿形受到人们的重视，很快投入工业应用。日本也对圆弧齿轮进行了研究，日立制作所保延诚声称:他和诺维柯夫同时各自独立发展了圆弧齿轮，并取名为ACP （Arc Tooth With Center at Pitch Point)齿轮。1960年，在联邦德国

9、Essen召开的国际齿轮会议上，圆弧齿轮被定为中心议题，并指出圆弧齿轮具有三个主要优点:(1)能承担34倍相同尺寸的渐开线齿轮的载荷，而在齿面上不产生有害的点蚀与磨损。(2)对于提高渐开线齿轮承载能力所采用的措施也同样适用于圆弧齿轮，如硬化齿面、齿根强化等.(3)齿面易于形成油膜，其厚约为渐开线齿轮的10倍。所以圆弧齿轮作为一种新型动力传动齿轮在前苏联、日本、英国等国得到日益广泛的应用。早期使用的圆弧齿轮采用单圆弧齿形，接触强度较高，但弯曲强度要比渐开线齿轮低。后期，出现的公切线型双圆弧齿轮，使承载能力得到提高，且简化了制造工艺。1968年，英国劳斯莱斯(Rolls-Royce)公司的R.M.

10、Studer提出分阶式双圆弧齿轮，取得了美国(USP.No.3533300)专利，这种经改进的双圆弧齿轮，轮齿弯曲强度得到较大幅度的提高，且克服了公切线型双圆弧齿轮齿腰过渡曲线处易发生点蚀的缺点。中国的齿形就是分阶式双圆弧齿轮。1.4圆弧齿轮的使用与发展概况圆弧齿轮由于具有较高的承载能力，传动中啮合面易形成动压油膜，且具有良好的跑合性，因而，圆弧齿轮的应用和研究受到许多国家的重视。目前，圆弧齿轮己广泛应用于冶金机械、矿山机械、起重运输机械、汽轮机组、抽油机、机车、飞机等领域，并取得了良好的效益。圆弧齿轮是一种性能优良的动力传动齿轮。由于发展历史很短，无论在理论研究上，或制造工艺方面，还不及渐开

11、线齿轮那样成熟；但从传动性能分析和实践证明，圆弧齿轮无疑具有广阔的应用前景。对于一般用途的齿轮减速器，如石油抽油机减速器等，用调质的软齿面圆弧齿轮。对磨削困难的大模数、大直径齿轮，如轧机齿轮，用调质的中硬齿面双圆弧齿轮，并采用优化设计方法，其性能接近于硬齿面渐开线齿轮水平。对高速重载齿轮传动，可采用低温氮化的硬齿面圆弧齿轮，并进行布齿。对一般精度下，具有冲击负载的重载齿轮传动，如煤矿运输机和挖掘机的减速器，可用碳氮共渗热处理工艺后，应用硬质合金滚刀或专用研磨剂对圆弧齿轮进行光整加工。以上所述制造的齿轮传动装置，基本上能达到硬齿面渐开线齿轮水平，而不需磨齿。不仅成本低，而且一般厂矿条件都能做到。

12、由于圆弧齿轮是由接触迹轴向移动而实现传动，因此不能用于滑移齿轮的变速机构。1.5国外圆弧齿轮研究与应用概况在国外，前苏联是圆弧齿轮应用很广泛的国家之一。主要用于冶金矿山机械、起重运输机械、汽轮机、压缩机、内燃机车、煤矿减速机和煤炭挖掘机等。传递转矩达l06Nm,模数达52mm，齿轮直径达3m。1974年前苏联专业生产厂制造了大批圆弧齿轮减速器，使减速器重量得以大大减轻。前苏联生产的石油抽油机全采用O C T 15023-76齿形的双圆弧齿轮，它使减速器重量减轻23%-47%。用在离心压缩机上的双圆弧齿轮，最高线速度达125 m/s。前苏联除制订了齿面硬度320HBS的 0 C T 15023-

13、76以外，还制订了齿面硬度35HRC以上的P2H24-11-88齿形标准(ha=0.875mn, hf=1.002381.01163mn)。他们还制订了OCT16771-81滚刀标准。在20世纪70年代，前苏联使用全齿高h=1.35mn，齿面硬度58HRC的双圆弧齿轮，它与尺寸、材料、热处理相同的渐开线齿轮比较，轮齿弯曲强度增加到1.8倍，接触强度提高到2.3倍。在英国，AEI公司于1962年已制造出传动比i=10，功率达6000kw (8000hp)的圆弧齿轮传动副(Circarc齿轮)经台架试验，比同尺寸、同材料的渐开线齿轮承载能力提高36倍。用于造纸工业和水泥工业的圆弧齿轮，效率达99.

14、4%，噪声与渐开线齿轮相近。用于直升飞机的硬齿面(58HRC)磨齿单圆弧齿轮，载荷系数达15N/mm2。日本在20世纪70年代己制造成传递功率达4000kw，输出扭矩达1GNm的圆弧齿轮减速器。双圆弧齿廓的油泵齿轮也是日本的专利。此外，美国、东欧和印度等国家都对圆弧齿轮进行研究和应用。1.6国内圆弧齿轮的研究与应用1.6.1发展概况中国对圆弧齿轮的研究，最早是在20世纪50年代中期，从前苏联引入。从1958年开始对圆弧齿轮进行了大量的试验和研究，1967年颁布了单圆弧齿轮基准齿形标准。之后，由当时第一机械工业部机械科学研究院组织，并成立了科研组，研究圆弧齿轮的啮合理论、几何参数(如角、重合度等

15、)对承载能力的影响、中心距误差的敏感性等，同时，设计制造齿轮承载能力试验机进行试验研究。原太原工学院(现太原理工大学)、哈尔滨工业大学、北京钢铁学院(现北京科技大学)等单位参加了此项研究工作，并成功地设计制造出双圆弧齿轮，在短短几十年中，圆弧齿轮在中国得到迅速发展应用。在广泛应用基础上，中国先后制订了JB929-67单圆弧齿轮基本齿廓标准。JB 1585-75 , JB 1586-75圆弧齿轮减速器标准和高速圆弧齿轮变速器系列。从80年代开始，中国陆续制订了GB 1840-89圆弧齿轮模数系列标准，JB4021-85圆弧圆轧凿轮精度标准，GB 12759-91双圆弧齿轮基本齿廓标准，JB391

16、3-91双圆弧齿轮滚刀标准，GB/T13799-92圆弧圆柱齿轮承载能力计算方法。其中，GB/T13799-92圆弧圆柱齿轮承载能力计算方法的研究和制订是当时世界领先的重大成就。它是哈尔滨工业大学、郑州机械研究所为首的全国许多高校及科研单位的重大贡献。至此，双圆弧圆柱齿轮五大基础标准(模数、齿形、滚刀、精度、承载能力)都已制订，为双圆弧齿轮的发展和应用开拓了广阔的前景。在以上基础上，圆弧齿轮在中国生产实践中得到广泛应用，为国民经济发展服务。其中高速圆弧齿轮的应用是中国的一大特色。相类似的条件下，在国外工业发达国家都采用磨齿的高精度渐开线齿轮，其成本高、价格贵。而在中国则有几十家汽轮机厂、鼓风机

17、厂和通用减速机厂生产圆弧齿轮为中小汽轮机、鼓风机和空气压缩机产品配套，相应制订了高速圆弧齿轮系列标准。目前除了引进和出口设备指定用渐开线齿轮外，各高速齿轮厂大批生产圆弧齿轮为主机配套。1960年以来中国高速圆弧齿轮占高速齿轮产量的80%，20世纪70年代高速双圆弧齿轮己成功地用于天津化纤厂、西安钢厂、上饶发电厂及上海吴淞化工厂。如郑州机械研究所、哈尔滨工业大学联合研制的镇江石化总厂主风机高速双圆弧齿轮增速箱，已达到的水平为传递功率3000kw,输入转速为9215r/min,齿轮圆周速度为115m/s，负荷系数K=136N/cm2 ，噪声为92.5db(A)，齿面经氮化后珩齿。高速圆弧齿轮由于不

18、磨齿，所以工艺简单、成本低。目前上海汽轮机厂、杭州汽轮机厂、上海鼓风机厂、郑州机械研究所都在生产高速圆弧齿轮。在低速重载传动方面，圆弧齿轮的应用也很广泛。尤其在轧机上的应用，十分成功。从1962年开始已有数十台轧机应用圆弧齿轮。例如太原重机厂生产的首都钢铁公司650轧机单圆弧齿轮机座，使用寿命达17年。鞍山钢铁公司24英寸(61cm)连轧机双圆弧齿轮减速机，使用功率由原来的2950kw提高到4000kw，达到设计能力300万吨/年。沈阳重型机器厂生产的鞍山钢铁公司18英寸(45.7cm)连轧机双圆弧齿轮减速机，不论轧制产量还是使用年限，均已达原渐开线齿轮的3倍多。太原钢铁公司、太原工业大学及太

19、原重机厂联合研制的2300冷轧机双圆弧齿轮机座单张轧制动压力达34300kN。西南铝厂2800轧机双圆弧齿轮机座，齿轮模数mn=30mm，是中国目前模数最大的双圆弧齿轮。圆弧齿轮在矿山机器上主要用于矿井提升机、纹车和强力带运输机的减速器。中心距a=10001700mm的单圆弧齿轮仍是矿山机器厂的主要产品。此外，双圆弧齿轮还用于水泥磨和榨糖机的减速器中，在客轮和驳船上也应用双圆弧齿轮，都取得良好效果。中国石油工业中，特别是石油抽油机绝大部分应用双圆弧齿轮减速器，年产5000台以上，兰州石油化工研究所制订了抽油机双圆弧齿轮减速器专业标准，抽油机双圆弧齿轮减速器达到API标准，并出口美国。由此可知双

20、圆弧齿轮在中国应用十分广泛。中国在20世纪60年代主要生产单圆弧齿轮，经过实验室试验和工业实践证明，单圆弧齿轮的接触强度是同材质、同尺寸的渐开线齿轮的3倍左右，但伉弯强度约为渐开线齿轮的2/3左右，虽然其综合承载能力优于渐开浅齿轮，但抗弯强度仍是一个薄弱环节。70年代，双圆弧齿轮的研究在提高承载能力方面有了突破，在抗弯强度方面也比相同的渐开线齿轮提高30%以上。近年来用钻高速锡制造滚刀，或在滚刀上镀氮化钦，可切削300350HBS的中硬齿面齿轮，中硬齿面齿轮的承载能力又有很大提高，低速重载的中硬齿面双圆弧齿轮，负载系数K可达300400N/cm2。矮齿(全齿高h=1.35-1.6mn)齿形的出

21、现，低温小变形氮化、碳氮共渗、研齿、晰齿技术的发展，为使用硬齿面双圆弧齿轮开辟了道路，硬齿面双圆弧齿轮具有更高的承载能力和使用寿命。例如煤矿刮板运输机硬齿面双圆弧齿轮满载试验达1900小时以上，超过部颁标准约一倍。2、端面圆弧齿轮二维图的绘制方法前苏联提出的圆弧齿轮是端面圆弧齿轮，仅仅论证了端面圆弧齿轮能满足齿轮啮合基本定理，并没有提出具体的加工方法。在上世纪五、六十年代，齿轮加工主要还是靠滚齿机（滚齿机加工成本低、效率高、精度也有一定的保证）。但根据圆弧齿轮啮合原理，滚齿机是加工不出正确的圆弧齿廓齿轮的。我国在1958年从前苏联引进圆弧齿轮并进行研究时，为了适应滚齿机，对圆弧齿轮做了一定的改

22、动，法面圆弧齿轮就是当时的改动之一（即规定圆弧齿轮轮齿的法面齿廓为基本圆弧齿廓）。在双圆弧齿轮提出后，国标（机械工业部代号为 JB294081）规定圆弧齿轮的基本齿廓为基本齿条的法截面齿形，齿轮齿形是由基本齿条形刀具包络出的。可以说这种圆弧齿轮轮齿形成的方法有背圆弧齿轮提出的初衷，且在现有的圆弧齿轮著作中只是给出了一个基于节线上的圆弧齿轮齿廓参数表，并没有提出如何将节线上的齿廓转化到节圆上。本课题提出端面圆弧齿轮并采用数字化加工方法（根据现有资料记载，端面圆弧齿轮在承载能力、中心距误差敏感程度等方面都要优于法面圆弧齿轮），并用三维设计软件对圆弧齿轮进行精确建模，这就需要对圆弧齿轮端面齿形的绘制

23、作一个详细的介绍。下面就以双圆弧齿轮为例来具体说明一下端面圆弧齿轮二维图的绘制方法。目前双圆弧轮基本齿廓都是以一条节线（可以看作是节圆展开后得到的）为基准的，为什么以节线为基准而不是节圆，原因见图2-15：从齿廓参数表中可以看出，齿轮的齿廓形状与齿轮的模数有关，但与齿数无关。对于模数相同但齿数不同的双圆弧齿轮的节圆大小是不同的（详见具体计算公式），现取两个模数相同但齿数不同的单个轮齿的双圆弧齿轮，端面齿形如图3-15。这两个齿轮中心分别为、，令这两个齿轮的凸齿重合且凸齿对称线也在直线上重合。则两齿轮的凹齿对称线分别为、，显然与不重合。也就是说对于模数相同但齿数不同的双圆弧齿轮来说凹齿对称线与凸

24、齿对称线间的夹角是不同的，也就是说凸凹齿廓间的相对位置不相同。从上面的分析中可以看出，对于模数一定但齿数不同的双圆弧齿轮，其凸凹齿廓间的相对位置不相同（齿形不同）。如果对某一模数中每一齿数的双圆弧齿轮齿廓都制定一个标准，则不仅工作量大且不可能实现（无法顾全所有模数中的所有齿数，用户对模数可以取小数、齿数也可以无穷多）。解决上面的问题分两步：（1）先考虑模数问题，将齿轮模数分为几个模数段，规定某一模数段的齿形参数都一样。例如模数为24的齿轮齿形参数都一样，规定一个齿形参数标准，这样有几个模数段就规定几个齿形参数标准，从而解决了模数无穷多这一问题。（2）对于解决同一模数但齿数不同时所引起的齿形不同

25、这一问题，我们的方法是将基本齿廓设计在节线上（节线是齿轮节圆展开后得到的，也可以认为是当齿数无穷多时齿轮节圆中的一小段圆弧），对于同一模数的齿轮齿形，其节线上的齿形是不变的，称为基准齿形。然后再将这一基本齿形转换到不同齿数的齿轮上。简单理解如下：当知道齿轮的模数及齿数后，先根据模数绘制出齿轮节线上的基本齿形，然后再根据齿数将节线上的齿形转换到齿轮节圆上。根据模数绘制齿轮节线上的基本齿形时可根据标准规定的齿轮基本齿廓参数，至于如何将节线上的齿形转换到节圆上，具体方法如下：（1）先根据齿轮模数绘制齿轮在节线上的基准齿形，图2-16。（2）根据齿数绘制齿轮的节圆、齿顶圆及齿根圆。图2-17（3）接下

26、来就需要确定工作圆弧圆心的位置，在确定工作圆弧圆心的位置前，一个很重要的概念就是如何将节线上的点对应到节圆上，已知条件就是每个齿对应节线的长度等于节圆的弧长。所以先根据基准齿形找到节线上几个特定的点,见图2-18，点A与点B是两个齿廓对称线与节线的交点，点P是过凸齿廓圆心作一与节线成压力角的直线与节线的交点，点Q是过凹齿廓圆心作一与节线成压力角的直线与节线的交点。找到这四个点后将这四个点对应到节圆上，先在节圆上找任一点P，图2-19中的P点是节圆中心线与节圆的交点（可以任意取，这里取在这一点方便以后的绘图），过P点作节圆的切线，同时再作一条与过P点切线平行的直线，这里简单的记这条直线为直线1，

27、这两条直线间的距离是。过P点再作一条与切线成压力角的直线，图2-20，与直线1的交点就是凸齿廓圆弧圆心，过点作一半径为的圆，夹在齿顶圆与节圆中间的那部分就是凸齿工作圆弧。（4）在作凹齿工作圆弧，首先在节圆上找到一点Q，使得PQ的弧长等于图3-18中PQ直线的长度，见图2-21，与找凸齿圆弧圆心的方法一样，找到凹齿圆弧圆心。过Q点做节圆的切线，同时作一条与切线距离为的直线，记为直线2，再过Q点作一条与切线成压力角的直线，与直线2的交点就是凹齿圆弧圆心。过作一半径为的圆，夹在节圆与齿根圆之间的部分就是凹齿工作圆弧。去掉多余的圆弧曲线，就得到单侧的凸凹工作圆弧曲线，图2-22。（5）作齿腰过渡圆弧及

28、齿根过渡圆弧，先看齿腰过渡圆弧：在作齿腰过渡圆弧时需要知道圆弧圆心到节线的距离L，图2-23，可以在基准齿形中获得。 过作一半径为的圆，见图2-24，同时再作一与节圆同心且半径比节圆半径大L的圆，两圆的交点就是过渡圆弧圆心，过作一半径为的圆，去掉多余曲线，如图2-25所示。齿根过渡圆弧：齿根过渡圆弧在齿高方向上所占的最大距离为0.2m，图2-27，在作齿根过渡圆弧时先作凸齿对称线与节圆的交点为A，作凹齿对称线，与节圆的交点为B，图3-26。PA，AB的弧长等于图2-18中对应直线PA，AB的长度。齿根过渡圆弧要求通过凹齿对称线与齿根圆的交点且与凹齿工作圆弧相内切，圆弧圆心位于凹齿对称线上，半径

29、根据具体情况定。图2-28。将绘制好的凸齿廓及齿腰过渡圆弧沿凸齿对称线镜像，凹齿廓及齿根过渡圆弧沿凹齿对称线镜像，就得到一个完整单个齿的双圆弧端面齿廓3、基于ANSYS的双圆弧齿轮静态接触有限元分析3.1有限元介绍限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。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

30、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。有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 3.2ANSYS介绍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，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。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

31、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；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100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如P

32、C，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 3.3ANSYS软件提供的分析类型（1）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。（2）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。（3）结构非线性分析结构非线

33、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。（4）动力学分析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。（5）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。（6）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、

34、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。（7）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。(8)声场分析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

35、体的阻尼效应。(9)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 3.4ANSYS接触分析模块简介接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源。为了进行较为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点:其一，在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算

36、摩擦，有几种摩擦和模型供用户挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。3.4.1一般的接触分类接触问题分为两种基本类型:刚体一柔体的接触，半柔体一柔体的接触。在刚体一柔体的接触问题中，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一柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体一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)。3.4.2ANSYS接触能力ANSYS支持三种接触方式:点一点、点一面、面一面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类特定问题。为了给

37、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对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类描述。(1)点一点接触单元:点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为，为了使用点一点的接触单元，需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，

38、两个面挠度(转动)保持微小量，那么可以用点一点的接触单元来求解面一面的接触问题，过盈装配问题是一个用点一点的接触单元来模拟面一面接触问题的典型例子。(2)点一面接触单元点一面接触单元主要用于给点一面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点一面的接触单元来模拟面一面的接触问题，面既可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。Contact48和Contact49都是点一面的接触单元，Contact26

39、用来模拟柔性点一刚性面的接触，对有小连续的刚性面的问题，不推荐采用Contact26因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，Contact48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。(3)面一面的接触单元ANSYS支持刚体一柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用Targe 169和Targe 170来模拟2-D和3一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触单元叫作一个“接触对”，程序通过一个共享的实常数号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指

40、定相同的实常数号。与点一面接触单元相比，面一面接触单元有许多优点：支持低阶和高阶单元支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度矩阵计算，单元小对称刚度矩阵的选项提供工程项目需要的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性小是必须允许有自然的或网格离散引起的表面小连续与点一面接触单元比，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU空间允许多种建模控制，例如:绑定接触渐变初始渗透目标面自动移动到初始接触平移接触面(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、圆柱来模拟曲面，更复杂的刚体

41、形状能使用特殊的前处理技巧来建模。3.4.3执行接触分析不同的接触分析类型有不同的过程，本课题所采用的实例是齿轮啮合对，所以选用了面一面接触分析。面一面的接触分析在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。对刚体一柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”。使用Targe 169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对。使用Targe 170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。3.4.4接触分析的步骤执行一个典型的面一面接触分析的基木步

42、骤如下:(1)建立模型并划分网格(2)识别接触对(3)定义刚性目标面(4)定义柔性接触面(5)设置单元关键字和实常数(6)定义控制刚性目标面的运动(7)给定必须的边界条件(8)定义求解选项和载荷步(9)求解接触问题(10)查看结果3.5双圆弧齿轮三维实体模型的建立齿轮二维模型的建立由于齿轮啮合过程的接触分析比较复杂，因此需要建立较精确的啮合模型。圆弧齿轮建模的难点是如何比较精确的反映出圆弧齿廓，在这里，我们采用了如下所示的操作流程:通过计算，建立若干关键点；连点成线，生成较精确的圆弧齿廓；生成二维完整齿轮模型；对模型进行网格划分；绘制主动轮端面齿廓导动的螺旋线；将二维模型沿螺旋线导动生成已划分

43、网格的三维实体模型。同理，生成被动轮三维实体模型；在建模前先定义单元类型和材料属性3.5.1定义单元类型和材料属性(1)定义单元类型在对模型进行网格划分之前，要定义所需要的单元类型。不同的单元类型会直接影响网格划分以及最终求解的效果。ANSYS提供了200种不同单元类型，以适用于各种工程分析。每一个单元类型有一个特定的编号和一个表示单元类别的前缀，如BEAM 4, PLANE 77等。单元类型决定了单元的自由度数和单元位于二维空间还是三维空间。针对不同的结构模型，需要选择不同的单元类型，ANSYS的单元类型有:实体单元、梁/管单元、壳膜单元、杆/索单元、弹簧单元、接触单元、表面效应单元、质量单

44、元、超单元等。由于本课题采用的网格划分方法是先对二维模型进行划分，再拉伸生成三维网格，所以我们在这一步骤同时定义二维单元和三维单元。首先，选择PLANE 42单元作为二维单元PLANE 42单元用于建立二维实体结构模型。(平而应力或平而应变)，也可以用作轴对称单元。节点有2个自由度，分别为x和Y方向的平移。辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。形状和承受非轴对称载荷。然后，选择SOLID 45作为三维实体单元，SOLID45单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。有用于沙漏控制的缩

45、减积分选项。(2)材料属性定义ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性。根据应用的不同，材料特性可以是:线性或非线性，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或随温度变化。如单元类型一样，每一组材料特性有一个材料参考号。在一个分析中可能有多个材料特性，ANSYS通过参考号来识别每个材料特性。本文是对齿轮做三维的接触分析，选用的是三维实体单元，则需要定义材料的弹性模量“EX”和材料的泊松比“PRXY“。如图1所示：两齿轮的材料为都为45钢，材料特性编号为图1, PRXY=0.259, EX=2.09105 MPa。对于ANSYS中的单位问题，除了磁场分析外，可使用任意一种单位制，只要保证输入的所

46、有数据都是使用同一单位制里的单位。因为齿轮的二维轮廓线所定义的长度单位为毫米，再定义力的单位为牛顿，相应的弹性模量的单位就变成了兆帕，计算出的应力单位也是兆帕。3.6二维模型的建立首先通过二维CAD软件绘制出齿轮单个齿的二维图，找出每段线段及圆弧齿廓圆心及端点的坐标值，以这些坐标值为基础在ANSYS中建立关键点，然后由关键点建立直线及圆弧线段，再由线段生成齿轮二维齿廓，如图2：3.6.1对二维齿廓图进行网格划分ANSYS的网格划分工具(Main MenuPreprocessor MeshTool)提供了最常用的网格划分控制和最常用网格划分操作的便捷途径。网格划分工具的功能包括:控制SmartS

47、izing水平设置单元尺寸控制制定网格划分类型对实体模型图元划分网格清除网格细化网格ANSYS提供了智能分网功能，它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度自动进行网格划分，智能网格控制只适用于自由网格，有1-10的精度等级。对于齿轮的三维实体模型，若采用ANSYS程序提供的智能分网，对齿轮轮齿的单元划分不加以控制，划分出的轮齿和轮体部分的单元大小差别很大。这样对齿轮进行接触分析，其精度难以保证，所以要适当的控制划分齿轮端面轮廓线时的单元数，使轮齿和轮体的网格划分尽量均匀，必须使用网格划分工具的功能对两个齿轮进行网格划分的控制。由于网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作

48、，网格划分的质量优劣将对计算结果产生相当大的影响。它小仅繁琐、费时，而且在许多地方，在很大程度上依赖于人的经验和技巧。对于二维模型，智能网格划分无法保证分析结果的精确性，计算时容易形成病态的刚度矩阵。因此，通过命令 LESIZE, _Y1，10,，0将每一条齿轮廓线上的单元数控制为10个，如图3，然后对其进行智能划分。划分网格后如图4所示，通过图4可以看到，在每一条齿轮廓线、齿根过渡曲线、齿廓中心过渡圆等线段处的网格足够紧密，而不会产生应力集中的部位(如轮体)网格较疏松。这样的划分方法减少了不必要的网格数，大大缩短了计算工作量。对二维模型划分好网格后绘制螺旋线，在绘制螺旋线时充分利用ANSYS提供的APDL语言，用程序实现，绘