基于ANSYSLSDYNA齿轮齿根应力分析

业信息化 基于A．NSYS／LS—DYNA齿轮齿根应力分析 戴进1，李晓莉2，刘欣3 (1．湖南工业大学科技学院， 湖南株洲412008；2．山东省济南市第二职业中专，山东济南 250101； 3．中国电子科技集团公司第48研究所。湖南长沙410111) 摘要：本文祠用ANSYS几S．DYNA对齿轮副的动力接触进行了仿真，通过主动轮的连续转动．带动从动轮运转．动态地仿真了齿 轮啮合过程．得到了一个啮合周期内的齿根动应力的变化规律。 关键词：ANSYS／15一DYNA；仿真分析；动应力 中圈分类号：TP391．9文献标识码：A 文章编号：1009-9492(2008)06-0026--02 1引言 随着齿轮向高速、重载、低噪、高可靠性方向的发 展，对齿轮传动的静、动态特性提出了更高的要求。计算 技术和计算机的迅速发展与广泛应用，为齿轮强度有限元 分析提供了强有力的工具⋯。国内外在轮齿弯曲应力与变 形研究方向作了不少有益的工作，但是在以往关于齿根应 力的研究中，主要存在以下局限性： 1)在轮齿加载时，虽然考虑了齿轮啮合过程中随着 啮合点的变化，齿间载荷的分配问题。但齿间载荷分配一 般按照经验公式来选取，且大多没有考虑啮合过程中，随 着啮合点的移动，轮齿啮合刚度变化的影响； 2)加载点的位置过于稀散，不能真实、完整地反映 轮齿在一个啮合周期内齿根应力与加载点变形的规律。 为了真实而形象地模拟齿轮啮合过程中齿根弯曲应力 的变化。必须建立一对齿轮的啮合的有限元模型，利用啮 合轮齿问的接触单元传递相互作用力，避免按照经验公式 选取齿间载荷分配，并可同时考虑轮齿啮合刚度的影响， 且在有限元分析过程中可以考虑摩擦的影响。 本文利用显式动力学仿真软件ANSYS／Ls—DYNA对齿 轮副的动力接触进行了仿真，得到了准确的齿根应力值及 其变化规律。 2ANSYS／LS—DYNA简介 LS—DYNA是世界上著名的通用显式动力分析程序， 能够模拟现实中的各种复杂问题，特别适合求解各种二 维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非 线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦 收稿13期：2007—12—25 合问题。 由于LS～DYNA计算功能强大，世界上十余家著名数 值模拟软件公司纷纷与帆公司合作。极大地加强了 I．S—DYNA的前后处理能力和通用性。1997年脚℃与 ANSYS公司合作推出ANsYs／LS—DYNA．用户可以充分利 用ANSYS的前后处理和统一数据库的优点，大大增强了 IS-DYNA的分析的能力。 3基于ANSYS／LS—DYNA的齿轮齿根应力 研究 3．1建立模型 以某齿轮副为例，该齿轮传动为等速传动，6级精度， 标准安装，且不计轮齿误差和轴箱变形，具体的齿轮参数 如表1所示。 寰1 齿轮参数表 由于ANSYS不便于进行复杂曲面建模，本文利用三 维造型软件Pro／E构建了一对精确啮合的齿轮副。然后在 ANSYS中读取此模型。 3．2划分网格 考虑到齿轮结构较复杂以及对计算机性能的要求．对 齿轮进行智能网格(Smansize)划分，可利用实体模型线 万方数据 段长度、曲率自行进行最佳网格化，在应力集中的地方网 格加密一倍，最后再用shell)63单元选择刚体材料在齿轮 内圈划分网格，将其定义为刚性体。 划好网格的模型如图l所示。 图1 划好网格的齿轮传动模型图 3．3数值仿真结果分析 仿真齿轮副的真实啮合过程，在肛DYNA3D的后处理 器瑾■PREP()s1：D中得到了齿轮最大等效应力随时间的变化 曲线，如图2所示。根据主动轮的转速i200r／rain，在保证 轮齿完成了一个完整的啮合过程的情况下，可确定大概的 计算时问为0．0015s。但是在这极短的时间内。主动轮启动 带动从动轮转动，齿轮啮合冲击非常严重，因此调整计算 时间为0．02s，这时齿轮啮合传动已经慢慢趋向平稳．从而 有利于观测一个啮合周期下的齿根应力变化状况。 C ^ I ㈨。舱4．n⋯6．i Vo IJ 8l⋯”V jUlJVV⋯VVVuI～、～ O．005 O．01 0．015 0．02 Tllm(s) 图2 最大等效应力随时间的变化曲线 图2所示的最大等效应力变化曲线可以清楚地展示轮 齿从频繁的啮合冲击到稳定的啮合传动的变化过程。稳定 后的轮齿最大等效应力稳定在500MPa左右，这与理论算 法得出的结果基本吻合。但是由于齿侧间隙的存在以及应 力波的传播【21所引起的应力波动使得最大等效应力出现 短暂的峰值，这对齿轮的破坏是非常严重的。 制造业倍国 根据以上分析，选取齿轮副啮合传动稳定后0．014s这 一时刻的等效应力云图，如图3所示。 由图3可知，实际得到的动态应力分布与力学分析一 致，应力比较大的地方主要集中在接触处和齿根附近，而且 应力影响区只在接触齿对两、三个齿附近，对于远离接触 处，应力为零，在这一点上符合弹性力学中的圣维南定律。 图3 0．014s时刻的等效应力图 3．4齿根动应力的分析 由于对从动轮进行结构优化设计的前提条件是计算出 准确的齿根弯曲强度，因此，应以从动轮为研究对象分析 啮合过程中齿根应力的变化。图4为从动轮前表面部分轮 齿示意图，图5为A轮齿齿根l处的最大主应力随时间变 化曲线，图6为A轮齿齿根2处的最大主应力随时问变化 曲线。 图4 从动轮前表面部分轮齿示意图 其结果分析如下。 1)由图5、6可知，齿根弯曲应力最大值为350MPa 左右，远大于传统算法得出的弯曲应力值，说明传统算法 计算太过保守。齿根单元l处的应力基本都要大于齿根单 元2处的应力，这与力学分析时所得到的拉应力要大于压 应力保持一致。 2)在图5中，齿根最大主应力随时间变化曲线的变 化趋势接近于真实啮合状况，由于齿侧间隙的存在以及应 (下转第6l页) j||j||jo||||oooj||oo||o||j|||||| || || || 万方数据 裹2 检舅结果 种有效且稳定的基于特征的元件检查算法。应用结果表 明，本算法在控制漏报的基础上，保持了较低的误报率。 能很好地完成对元件焊接质量的检测。 参考文献： [1]周德俭．SMT焊点质量自动检测与智能鉴别技术．电子工艺技 研究与匀 术[J]．制造技术与机床．2∞I，3(22)：56-60． [2]Sheng—LinLu，Xian—MinZhangandYong—CongKuang,Op- timizedDesignofanAOIIlluminator【C]．Proceedingsof 2007WaveletAnalysisandPattern，2∞6．27(7)：87． [3]Homg-HaiLobandMing-Singhl，PrintedCircuitBoardIn— spectionUsingImageAnalysis[C】．IEEETransactionson IndustryApplications，Vd35，No．2．March／April，19919． 【4]Shih-ChiehLinandChia-HsinSu，AVisualInspectionsy} tomforSurfaceMountedDe“ceB∞PrintedCircuitBoard [C]．IEEE．CIS2006． [5]欧姆龙株式会社，自动光学检验设备(AOI)对无铅焊锡的 检测[J]．电子工业专用设备．2003，104(3)． 第一作者简介：贺珍真，男，1982年生，湖南益阳人。硕士研究 生。研究领域：机器视觉、精密测量方向。 (编辑：向 飞) (上接第27页) I． 1 8 l 、| 1 『嵋 l I “u～6．-^^^Mok，、～州” 旷¨‰ O 0．01 0．015 TlilSO{8} 图5 A轮齿齿根1处的最大主应力随时间变化曲线 枷 O O．口' O．015 T№(5) 图6 A轮齿齿根2处的最大主应力随时间变化曲线 力波[射在狭小空间内的频繁反射，从而导致了应力值出 现了波动，这对齿轮的破坏是非常严重的。 3)在图6中．齿根单元2处在0．112s时出现了一个 应力峰值．这是由于轮齿变形使得从动轮齿突然加速冲击 主动轮的齿背引起的。 通过研究得出以下几点结论。 1)实际得到的动态应力分布与力学分析一致，应力 比较大的地方主要集中在接触处和齿根附近，而且应力影 响区只在接触齿对两、三个齿附近，对于远离接触处，应 力为零，在这一点上符合弹性力学中的圣维南定律。 2)基于啮合过程的齿根动应力分析要比在移动载荷 作用下得到的街根应力分析更接近于真实啮合状况。 3)研究表明对求解齿轮齿根动应力问题，显式动力 学软件ANSYS／LS—DYNA是一种新的十分有效的工具。 4结束语 本文介绍了显式动力学软件ANSY沁一DYNA的强大 的分析功能，仿真分析了齿轮副的动力接触，并对数值结 果进行了分析，得到了准确的齿根应力值及其变化规律， 充分展示了有限元分析软件的工程应用，对产品的设计与 分析提供了一种新的思路。 参考文献： [1]杨生华．齿轮接触有限元分析．计算力学学报，2∞3，20 (2)：138—143． [2]佟景伟．徐步青，等．冲击栽荷作用下齿轮动应力的研究 【J】．机械强度，2002，24(1)：125-127． [3】VijayaranganSandGanesan．N．Astudyofdy矾IⅡic8tresses inaspurgearunderamovinglineloadandimpactload conditionsbyathree-dimensionalfinitedementmethod【J]‘． JournalofSoundandVibration，1993，162(1)：185—189． 第一作者简介：戴进，女，1971年生，湖南株洲人．硕士研究 生．讲师。研究领域：机械CAD／CAE及CAM。已发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 3 篇。 (编辑：昊智恒) 渤 湖 珊 抛 啪 啪 ∞ o ^E．^，__g它五u皇-山 蛳 瑚 伽 o ^E．^，-一g●z13毒 万方数据