基于ANSYS的直齿圆锥齿轮齿根应力有限元分析

陕西理工学院毕业论文 设计 基于 ANSYS 的直齿圆锥齿轮齿根应力有限元分析 摘要摘要 随着机械工业的发展 对齿轮传动的要求愈来愈高 为防止轮齿折断失效 要求设计者 能较精确地计算轮齿齿根的弯曲应力 现在业已提出了多种齿轮强度简化的计算方法 这些方法各 有其优缺点 有的并已纳入国家标准 GB3480283 及国际标准 ISO 但其中关于载荷分配系数和动载 系数的确定问题均存在较大的争论 由于齿轮使用场合不同 系数的选择相差较大 同时各行业 各 部门对系数的选取也有差异 因此计算结果往往相差较大 而且常规计算方法仅能满足一般齿轮传 动的要求 对高速 重载及有特殊要求的齿轮传动还需要进行精确计算和分析 ANSYS 软件是大型通用有限元软件 ANSYS 的前处理中有建模功能 但由于直接在 ANSYS 软件 中建立模型较复杂 因此 本文运用三维绘图软件 Pro E 建立了直齿圆锥齿轮的实体模型 将三维 实体模型进行合理的简化 通过 Pro E 与有限元分析软件 ANSYS 的接口 将模型导入 ANSYS 中 运 用 ANSYS 对齿轮进行应力 位移分析 得到了齿轮的应力等值线图的重要信息 关键词关键词 直齿圆锥齿轮 Pro E 有限元分析 ANSYS Root stress of the bevel gears based on finite element analysis whit ANSYS Grade06 Class1 Major in machine design manufacture and automation School of Mechanical Engineering Shaanxi University of Technology Hanzhong 723003 Shaanxi AbstractAbstract Along with the development of industrial machinery the requirement of gear transmission increasingly high in order to prevent the gear failure and broken request designers can accurately calculated the tooth root bending stress Now has proposed a variety of simplified calculation method of gear intensity these methods have their advantages and disadvantages Some have been incorporated into national standards and international standards GB3480283 and ISO But on the load distribution coefficient and dynamic load coefficients are determined the debate question Due to the gears using of different 陕西理工学院毕业论文 设计 第 1 页 共 67 页 occasions Coefficient of choice is not different departments of choosing coefficient of are also different So often differ greatly calculation results And the conventional calculation method can only meet general of gear transmission requirements for high speed overloaded with special requirements and gear need accurate calculation and analysis ANSYS is a common large FEA analysis software which has the molding function in its former dealer Because it is difficult to driectly draw the speed reducer box in ANSYS So the three dimensional parametric entity model for speed reducer box for mine use was bullied and parameterized by Pro E software by using the connections between Pro E and ANSYS three dimensional entity model was imported into ANSYS after simplified The structure of reductor box was analyzed by ANAYS The displacement and stress distribution can be attained KeyKey WordsWords gear Pro E Finite Element Method FEM ANSYS 陕西理工学院毕业论文 设计 第 2 页 共 67 页 目 录 第一章 ANSYS 与 PRO E 之间的接口 2 第二章 直齿圆锥齿轮模型的创建 3 2 1 锥齿轮建模过程的分析 3 2 1 1 分析锥齿轮结构 推导出各个参数及变量之间的关系式 3 2 2 锥齿轮的建模过程 5 2 2 1 输入基本参数和关系式 5 2 2 2 创建基本曲线 7 2 2 3 创建齿轮端面基本圆 10 2 2 4 创建坐标系 12 2 2 5 创建大端渐开线 14 2 2 6 创建齿轮小端上的渐开线 16 2 2 7 镜像渐开线 16 2 2 8 创建齿根圆特征 17 2 2 9 创建第一个轮齿 19 2 2 10 阵列轮齿 21 第三章 ANSYS 齿根应力分析过程 24 3 1 一个齿廓截面的二维平面分析 24 3 1 1 建模 24 3 1 2 定义单元类型 25 3 1 3 定义材料属性 26 3 1 4 划分网格 27 3 1 5 施加约束条件 28 3 1 6 施加载荷 29 3 1 7 求解 30 3 1 8 查看结果 30 3 2 直齿圆锥齿轮单个齿的齿根应力分析 32 3 2 1 模型的导入 32 3 2 2 定义单元类型 32 3 2 3 定义材料属性 33 3 2 4 划分网格 34 3 2 5 施加约束条件 35 3 2 6 施加载荷 36 3 2 7 求解 37 3 2 8 查看结果 38 3 3 齿轮啮合齿面接触应力的二维截面分析 40 3 3 1 建立模型 40 3 3 2 定义单元类型 40 陕西理工学院毕业论文 设计 第 3 页 共 67 页 3 3 3 定义材料属性 41 3 3 4 建立齿轮面模型 42 3 3 5 对齿面划分网格 45 3 3 6 定义接触对 46 3 3 7 施加位移边界 48 3 3 8 施加第一个齿轮位移载荷及第二个齿轮的位移边界条件并求解 49 3 3 9 查看 von mises 等效应力 51 3 3 10 查看接触应力 52 3 4 结果分析 53 致谢 54 参考文献 54 陕西理工学院毕业论文 设计 第 4 页 共 67 页 第一章 Ansys 与 Pro E 之间的接口 Pro E 是个全方位的 3D 产品开发软件 它集合零件设计 产品组合 模具开发 造型设计 应力分析等功能与一体 为了保证上述两种软件的版本兼容 Pro E 的版本 不得高于同期的 Ansys 的版本 1 1 在开始程序下运行 Ansys 选择 utilities 下的 ans admin 项 在 ans admin 弹出图框中选择 configuration options 在下一个 confirguration options 弹出图 框中选择 configuration connectionf or Pro E 在 configure ansys connectionor Pro E 中的 ansys prod uct 中选择 ansys multiphysics 在 graphicsdevice name 中 选择 win32 在出现 success 图框中记下 config anscon 文件位置 在出现的 Pro E installationin for mation 下的 Pro E installation path 中填入安装 Pro E 的路径 在 language used with Pro E 中选择语言为 usa 最后将记录下的 config anscon 拷 贝到 Pro E 的安装目录下 这样就可以将 Pro E 的模型直接传到 Ansys 中了 同时应 注意在 Pro E 中建立的模型应予存盘 如果 Pro E 用的版本是 2001 版 在 Ansys 中运 行的速度将很慢 可以将 Pr02001 改为 Pr02002 1 2 同时也可用 Ansys 自代的 iges 格式进行文件转换 将 Pro E 模型文件存储为 iges 文件格式 在 Ansys 中 利用 file 菜单下的 Import 将 Pro E 的建模文件导入 即可 1 3 ansys 文件必须在英文目录下才能打开 陕西理工学院毕业论文 设计 第 5 页 共 67 页 第二章 直齿圆锥齿轮模型的创建 锥齿轮在机械工业中有着广泛的应用 它用来实现两相交轴之间的传动 两轴的 相交角一般采用 90 度 锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上 轮齿由齿轮的大端到小端逐 渐收缩变小 以下介绍参数化设计锥齿轮的过程 2 1 锥齿轮建模过程的分析 与直齿轮的建模过程相比较 锥齿轮的建模更为复杂 参数化设计锥齿轮的过程 中应用了大量的参数与关系式 锥齿轮建模分析如下图 2 1 图 2 1 锥齿轮建模过程 2 1 1 分析锥齿轮结构 推导出各个参数及变量之间的关系式 锥齿轮结构如下图 2 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 6 页 共 67 页 图 2 2 锥齿轮结构 锥齿轮以大端参数为标准值 故在计算其几何尺寸时 也应该以大端为准 以下为大端各参数关系 其中 z 为要建模的齿轮齿数 zasm 为与之啮合的齿轮齿 数 fe 为分度圆平面到锥顶的距离 m 模数 a 为压力角 为了区分渐开线方程中基圆 半径 r 故用 zj 代表锥距 R Delta atan z zasm 分锥角 D m z 分度圆直径 Da d 2 m cos delta 齿顶圆直径 Df d 2 1 2 m cos delta 齿根圆直径 Db d cos a 基圆直径 锥距 2 22 zasmzmRzj Fe d 2 tan delta 小端关系的确定 陕西理工学院毕业论文 设计 第 7 页 共 67 页 图 2 3 锥齿轮参数 由上图 2 3 几何关系可得到小端的参数关系如下 d D R B R db d cos a 2 1 2 输入关系式 绘制创建锥齿轮所需的基本曲线 2 1 3 创建渐开线 大端 r db 2 cos delta theta t 60 x r cos theta r sin theta theta pi 180 y r sin theta r cos theta theta pi 180 z 0 小端 r d zj b cos a 2 zj cos delta theta t 60 x r cos theta r sin theta theta pi 180 y r sin theta r cos theta theta pi 180 z 0 2 1 4 用旋转命令创建齿根圆锥 2 1 5 创建第一个轮齿 2 1 6 阵列轮齿 2 2 锥齿轮的建模过程 2 2 1 输入基本参数和关系式 A 单击 在新建对话框中输入文件名 00000 选择相应的单位制 然后单击 B 在主菜单上单击 工具 参数 系统弹出 参数 对话框 如图 2 4 陕西理工学院毕业论文 设计 第 8 页 共 67 页 所示 图 2 4 参数定义 C 在 参数 对话框内单击按钮 可以看到 参数 对话框增加了一行 依次 输入新参数的名称 值 和说明等 需要输入的参数如下表 2 1 所示 名称值说明名称值说明 M2 5 模数 DB 基圆直径 Z64 齿数 DA 齿顶圆直径 Zasm32 小齿轮齿数 DF 齿根圆直径 A20 压力角 DELTA 分锥角 B20 齿宽 Zj 锥距 D 分度圆直径 表 2 1 创建齿轮参数 注意 表 2 1 中未填的参数值 表示是由系统通过关系式将自动生成的尺寸 用 户无需指定 D 在主菜单上依次单击 工具 关系 系统弹出 关系 对话框 E 在 关系 对话框内输入齿轮的基本关系式 由这些关系式 系统便会自动生 成表 3 4 所示的未指定参数的值 完成后的 关系 对话框如图 2 5 所示 陕西理工学院毕业论文 设计 第 9 页 共 67 页 图 2 5 关系 对话框 2 2 2 创建基本曲线 A 创建基准平面 在工具栏内单击按钮 或者依次在主菜单上单击 插入 模型基准 平面 系统弹出 基准平面 对话框 按如图 2 6 的设置创 建基准平面 DTM1 图 2 6 基准平面 对话框 B 在 基准平面 对话框的偏移项内输入偏移距离为 fe 单击 确定 完成 陕西理工学院毕业论文 设计 第 10 页 共 67 页 C 创建基准轴 在工具栏内单击按钮 创建通过 FRONT 面与 RIGHT 面的 基准轴 A 1 如图 2 7 所示 图 2 7 基准轴 对话框 D 草绘曲线 在工具栏内单击按钮 选择 FRONT 面作为草绘平面 选取 RIGHT 面作为参考平面 参考方向为向 顶 如图 2 8 所示 单击 草绘 进入 草绘环境之后 选取 DTM1 作为参照 图 2 8 草绘 对话框 陕西理工学院毕业论文 设计 第 11 页 共 67 页 图 2 9 选取参照 E 绘制如图 2 10 所示的二维草图 标注如图示的尺寸 尺寸大小任意 保证图形 的基本外形 图 2 10 绘制二维草图 F 将尺寸代号添加到 关系 对话框中 在主菜单上依次单击 工具 关 系 系统弹出 关系 对话框 添加如图 2 11 所示的关系式 陕西理工学院毕业论文 设计 第 12 页 共 67 页 图 2 11 关系 对话框 2 2 3 创建齿轮端面基本圆 A 创建基准平面 在工具栏内单击按钮 或者依次在主菜单上单击 插入 模型基准 平面 系统弹出 基准平面 对话框 按如图 2 12 的设置创建基 准平面 DTM2 平面与 FRONT 面为法向关系 并且穿 参照曲线 f6 图 2 12 基准平面 对话框 B 创建基准点 在工具栏内单击按钮 或者依次在主菜单上单击 插入 模型基准 点 点 系统弹出 基准点 对话框 创建经过如图 2 13 所示两条曲线的基准点 PNT0 参照曲 线 1 参照曲 线 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 13 页 共 67 页 图 2 13 创建基准点 完成之后鼠标单击下方的 新点 按钮 按照同样的方法分别创建基准点 PNT2 到 PNT9 如下图 2 14 图 2 14 基准点 对话框 C 草绘曲线 创建大端齿轮基本圆 1 在工具栏内单击按钮 选择 DTM2 面作为草绘平面 选取 FRONT 面作为 参考平面 参考方向为向 顶 如图 2 15 所示 单击 草绘 进入草绘环境 并选 取上一步创建的基准点 PNT0 到 PNT4 作为草绘参照 陕西理工学院毕业论文 设计 第 14 页 共 67 页 图 2 15 草绘 对话框 分别绘制以 PNT0 为圆心经过 PNT1 PNT2 PNT3 PNT4 四个基准点的同心圆 绘 制一条经过 PNT0 直线 目的是为了在下面的步骤中创建坐标系的方便 点确定退出草 绘 创建小端齿轮基本圆 2 在工具栏内单击按钮 选择 DTM3 面作为草绘平面 选取 FRONT 面作为 参考平面 参考方向为向 顶 如图 2 16 所示 单击 草绘 进入草绘环境 并选 取上一步创建的基准点 PNT5 到 PNT9 作为草绘参照 图 2 16 分别绘制以 PNT5 为圆心经过 PNT6 PNT7 PNT8 PNT9 四个基准点的同心圆 绘 制一条经过 PNT5 直线 目的是为了在下面的步骤中创建坐标系的方便 点确定退出草 绘 2 2 4 创建坐标系 A 创建坐标系 CS0 在工具栏内单击按钮 系统弹出 坐标系 对话框 在 原始 选项卡里 单击选取 PNT0 点作为参照 在 坐标系 对话框内打开 定 向 选项卡 选取图 2 17 所示的 曲线 1 为 y 轴的负向参照 曲线 2 为 x 轴正向 陕西理工学院毕业论文 设计 第 15 页 共 67 页 参照 图 2 17 创建坐标系 完成后的 坐标系 对话框如图 2 18 所示 单击 确定 完成坐标系 CS0 的创建 图 2 18 坐标系 对话框 B 用同样的方法过 PNT5 创建坐标系 CS1 C 创建坐标系 CS2 在工具栏内单击按钮 系统弹出 坐标系 对话框 在 原始 选项卡里 单击选取坐标系 CS0 作为参照 在 坐标系 对话框内打开 定 向 选项卡 关于 Z 轴旋转 360 4 z 单击 确定 完成坐标系 CS1 的创建 曲线 1 曲线 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 16 页 共 67 页 图 2 19 坐标系 对话框 D 同上经过 PNT5 以 CS1 为参照创建新坐标系 CS3 2 2 5 创建大端渐开线 依次在主菜单上单击 插入 模型基准 曲线 或者在工具栏上单 击按钮 系统弹出 曲线选项 菜单管理器 如图 2 20 所示 图 2 20 曲线选项 菜单管理器 A 在 曲线选项 菜单管理器上依次单击 从方程 完成 弹出 得到坐 标系 菜单管理器 如图 2 21 所示 图 2 21 得到坐标系 菜单管理器 B 在绘图区单击选取坐标系 CS2 作为参照 弹出 设置坐标类型 菜单管理器 如图 2 22 所示 陕西理工学院毕业论文 设计 第 17 页 共 67 页 图 2 22 设置坐标系类型 菜单管理器 C 在 设置坐标类型 菜单管理器中单击 笛卡尔 系统弹出一个记事本窗口 D 在弹出的记事本窗口中输入曲线的方程 如下 r db 2 cos delta theta t 60 x r cos theta r sin theta theta pi 180 y r sin theta r cos theta theta pi 180 z 0 E 保存数据 退出记事本 单击如图 2 23 所示 曲线 从方程 对话框中的 确 定 完成后的曲线如图 2 24 所示 图 2 23 曲线 从方程 对话框 陕西理工学院毕业论文 设计 第 18 页 共 67 页 图 2 24 完成后的渐开线 陕西理工学院毕业论文 设计 2 2 6 创建齿轮小端上的渐开线 为了视觉上的清晰 可以先将齿轮大端的基本圆曲线隐藏 用相同的方法创建齿轮小端的渐开线 选取坐标系 CS3 作为参照 坐标系类型为 笛卡尔 渐开线方程为 r d zj b cos a 2 zj cos delta theta t 60 x r cos theta r sin theta theta pi 180 y r sin theta r cos theta theta pi 180 z 0 完成后的渐开线如图 2 25 所示 图 2 25 完成后的渐开线 2 2 7 镜像渐开线 在绘图区单击选定以上两个步骤中产生的两条渐开线 在工具栏内单击按钮 系统弹出 镜像 特征定义操控面板 选取平面 FRONT 作为镜像平面 在 镜像 特征定义操控面板内单击按钮 完成渐开线的镜像 陕西理工学院毕业论文 设计 第 20 页 共 67 页 图 2 26 完成后的渐开线 2 2 8 创建齿根圆特征 A 在工具栏内单击按钮 或者依次在主菜单内单击 插入 旋转 弹出 旋转 定义操控面板 在面板内单击 位置 定义 弹出 草绘 定义对话 框 B 选择 FRONT 面作为草绘平面 选取 RIGHT 面作为参考平面 参考方向为向 右 如图 2 27 所示 单击 草绘 进入草绘环境 图 2 27 草绘 对话框 C 绘制如图 2 28 所示的二维草图 注意绘制用于旋转的中心线 在工具栏内单击 按钮 完成草图的绘制 陕西理工学院毕业论文 设计 第 21 页 共 67 页 图 2 28 绘制二维草图 D 在 旋转 特征定义操控面板内进行如图 2 29 的设置 单击按钮按钮 完 成齿根圆特征的创建 图 2 29 旋转 特征定义面板 完成后的齿根圆如图 2 30 所示 图 2 30 完成后齿根圆特征 中心线 陕西理工学院毕业论文 设计 第 22 页 共 67 页 2 2 9 创建第一个轮齿 A 打开 插入 菜单 插入 混合 中的 伸出项 选取大端基本圆所在平面 DTM2 做为草绘截面 进入草绘环境 如图 2 31 图 2 31 混合伸出项对话框 B 草绘一个齿的截面形状 复制大端的渐开线和齿顶圆 齿根圆创建一个齿大端的截面形状 完成之后点 1 右键切换剖面 如图 2 32 图 2 32 草绘齿轮截面 1 用同样的方法画出小端的截面形状 如图 2 33 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 23 页 共 67 页 图 2 33 草绘齿轮截面 2 C 两个截面草绘完成之后点 按钮确定 系统会提示输入混合深度 在对话 框中输入齿厚 B 点 确定 如图 2 34 图 2 34 剖面深度 所有元素已经定义完成 点确定按钮即完成一个齿的创建 如图 2 36 图 2 35 混合特征 陕西理工学院毕业论文 设计 第 24 页 共 67 页 图 2 36 混合完成的一个齿 D 齿根倒圆角 在工具栏点 按钮 打开倒圆角工具 在倒圆角半径窗口中输入 0 38 m 为倒圆角半径 将半径添加到关系中 将齿根的两条边选中 然后鼠标中键单击完成 倒圆角 图 2 37 完成的一个齿 2 2 10 阵列轮齿 陕西理工学院毕业论文 设计 第 25 页 共 67 页 为了阵列轮齿特征 首先对创建完成的第一个轮齿特征进行 复制 旋转 操 作 从而创建第二个轮齿特征 对第二个轮齿进行阵列 A 首先单击选取已经创建好的轮齿 然后在主菜单上依次单击 编辑 复 制 然后再次依次单击 编辑 选择性粘贴 系统弹出 选择性粘贴 复选 框 勾选复选框的前两项 如图 2 38 所示 单击 确定 系统弹出 选择性粘贴 定义操控面板 图 2 38 选择性粘贴 复选框 B 在 选择性粘贴 定义面板内选取按钮 在文本框输入旋转角度为 360 z 如图 2 39 所示 系统提示是否添加关系 单击 是 图 2 39 选择性粘贴 定义面板 C 在绘图区单击选取齿根圆的中心轴作为旋转轴 如图 2 40 所示 在 选择性粘 贴 定义操控面板内单击按钮 完成第二个轮齿的创建 图 2 40 选取旋转中心轴 D 将旋转角度关系式添加到 关系 对话框 在模型树中右键单击第二个轮齿特 选取旋转 中心轴 陕西理工学院毕业论文 设计 第 26 页 共 67 页 征 在弹出的快捷菜单中单击 编辑 在主菜单上单击 工具 关系 系统 弹出 关系 对话框 此时系统显示两个轮齿夹角的尺寸代号 单击该尺寸代号 尺 寸代号将自动显示在 关系 对话框中 输入的关系式为 复制轮齿 d70 360 z E 在模型树中单击刚刚创建的第二个轮齿特征 在工具栏内单击按钮 或者依 次在主菜单上单击 编辑 阵列 系统弹出 阵列 定义操控面板 如图 2 41 所示 图 2 41 阵列 特征定义面板 F 在 阵列 特征定义面板内单击 轴 阵列 在绘图区单击选取齿根圆的中心 轴作为阵列参照 输入阵列个数为 64 偏移角度为 360 64 度 在 阵列 定义 操控面板单击按钮 完成阵列特征的创建 G 在工具栏上单击重生按钮 或者依次在主菜单上单击 编辑 再生 完成所有轮齿的创建 完成后的齿轮如图 2 42 所示 图 2 42 完成后的锥齿轮 陕西理工学院毕业论文 设计 第 27 页 共 67 页 第三章 Ansys 齿根应力分析过程 图 3 1 施加载荷分析 1 如上图 3 1 是标准渐开线齿轮的一个齿的截面图形 da 齿顶圆 d 分度圆 db 渐开线基圆 df 齿根圆 渐开线齿廓啮合传动具有如下几个优点 能保证定传动比传动并且具有可分性 对于每一个具体齿轮来说 其基圆半径 1 为常数 两轮基圆半径的比值为定值 故渐开线齿轮能保证定传动比传动 渐开线齿廓之间的正压力方向不变 在齿轮传动过程中 两个啮合齿廓的正压 2 力始终沿啮合线方向 故其传力方向不变 这对于齿轮传动的平稳性是有利的 由于 渐开线齿廓还有加工刀具简单 工艺成熟等优点 故其应用特别广泛 但是 在实际啮合过程中 齿轮受到压力时必然会有微小的变形 这时齿轮的啮 合就由理想状态下的线接触变成面接触 因此在分析单个齿的齿根应力的时候运用这 种思想 试建模和分析过程大大简化 齿轮啮合过程中啮合点始终是在分度圆的径向 的一个小的范围内 故在建模的时候将分度圆偏移一段距离之后便在齿廓截面上的齿 廓曲线上形成了一小段曲线 在分析过程中就可以对这条曲线施加载荷 如下图所示 图 3 2 施加载荷分析 2 同样的道理 当模型上升到体的高度上时 啮合线便会被抽象成为一个在理想啮 合线周围的微小的啮合面 受到的压力也可以近似的认为是加在这个平面上 3 1 一个齿廓截面的二维平面分析 陕西理工学院毕业论文 设计 第 28 页 共 67 页 3 1 1 建模 用 proe 创建一个齿的齿廓曲线保存为 IGS 格式 选择 基准曲线和点 选项 图 3 3 模型导出 用 ansys 打开保存的 IGS 格式文件就可以得到创建的齿廓曲线 3 1 2 定义单元类型 将分析设置为结构分析 如图 3 4 选择 structural 在进行有限元分析时 首先应根据分析问题的集合结构 分析类型和所分析的问 题精度要求等 选定适合具体分析的单元类型 再此选择 8 节点的二维单元 8node82 A 命令 preprocessor element type add edit delete 打开单元类型对话框如图 3 5 图 3 4 选择分析类型 陕西理工学院毕业论文 设计 第 29 页 共 67 页 图 3 5 添加单元类型对话框 图 3 6 选择单元类型 B 单击 add 按钮 将打开 library of element type 单元类型库 如图 3 6 C 然后在左边的列表框中选择 solid 选项 选择实体单元类型 D 在右边的列表框中选择 8node82 选项 选择 8 节点单元 PLANE82 E 单节 OK 按钮 将该单元添加 并关闭单元类型对话框 同时返回到第一步打开 的单元类型对话框 3 1 3 定义材料属性 A 从主菜单中选择 preprocessor material props material model 命令 将打开 define material model behavior 定义材料模型属性 窗口 如图 3 7 陕西理工学院毕业论文 设计 第 30 页 共 67 页 图 3 7 定义材料属性 B 依次双击 structural linear elastic isotropic 展开材料属性的树形结构 将打开 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框 如图 3 8 图 3 8 定义单行模量及泊松比 C 在对话框的 EX 文本框中输入材料的弹性模量 2 06e11 在 PRXY 文本框中输入泊 松比 0 3 D 单击 OK 按钮 关闭对话框 并返回到定义材料模型属性窗口 在此窗口的左边 一栏出现刚刚定义的参考号 1 的材料属性 关掉此对话框 3 1 4 划分网格 A 从主菜单中选择 preprocessor meshing meshtool 将打开网格划分工具对话框 如图 3 9 B 选择 mesh 域中的 areas 单击 mesh 打开面选择对话框 要求选择要划分的面 单击此齿廓截面 陕西理工学院毕业论文 设计 第 31 页 共 67 页 C ansys 会根据进行的线控制划分面 划分网格会出现 ansys 的提示 在提示对话 框中单击 OK 在工具栏单击 save db 保存数据 划分后的面如图 3 10 图 3 9划分工具 图 3 10 网格划分完成 3 1 5 施加约束条件 A 从主菜单中选择 main menu solution define loads apply structural displacement on lines 命令 打开线选择对话框 要求选择欲施加约束的线 B 选择齿廓截面的底部的线 齿根圆的一部分 单击 Apply 按钮 打开 apply U Rot on lines 对话框 如图 3 11 陕西理工学院毕业论文 设计 第 32 页 共 67 页 图 3 11 添加约束 C 选择 all dof 选项 单击 OK 按钮 限制所有的自由度 3 1 6 施加载荷 A 从主菜单中选择 main menu solution define loads apply structural pressure on lines 命令 打开线选择对话框 要求选择欲 施加载荷的线 这里选择分度圆附近的近似的啮合线 图 3 12 中的 L40 图 3 12 B 选择这条曲线后单击 apply 按钮 打开 apply PRES on lines 对话框 在 value 的文本框中输入压力值 单击 OK 按钮 如图 3 13 C 单击 save db 按钮保存数据库 陕西理工学院毕业论文 设计 第 33 页 共 67 页 图 3 13 施加载荷 3 1 7 求解 A 从主菜单中选择 main menu solution solve current LS 命令 打开一个确认 对话框和状态列表 如图 3 14 所示 要求查看列出的求解选项 图 3 14 求解选项 B 查看列表中的信息确认无误后 单击 OK 按钮 开始求解 C 求解完成后打开如图 3 15 所示的提示求解完成的对话框 图 3 15 分析完成 D 单击 close 按钮 关闭提示求解完成对话框 3 1 8 查看结果 求解完成后就可以利用 ansys 软件生成的结果文件进行后处理 陕西理工学院毕业论文 设计 第 34 页 共 67 页 A 显示变形形状 从主菜单中选择 main menu general postproc plot results deformed Shape 1 命令 打开 plot deformed Shape 对话框 如图 3 16 所示 图 3 16 查看变形量命令 选择 def undeformed 选项 表示变形前后的形状对比 单击 OK 按钮即可看到 2 变形形状 如图 3 17 图 3 17 变形图 B 查看 von mises 等效应力 从主菜单中选择 main menu general postproc plot results contour 1 plot nodal solu 命令 打开 contour nodal solution data 对话框 在 item to be contoured 域左边的列表中选择 stress 选项 2 在下边的列表框中选择 von mises stress 选项 如图 3 18 所示 3 选择 def shape only 单选按钮 4 陕西理工学院毕业论文 设计 第 35 页 共 67 页 单击 OK 按钮 图形窗口中显示出 von mises 等效应力分布图 如图 3 19 所示 5 图 3 18 查看等效应力 图 3 19 应力等值线图 3 2 直齿圆锥齿轮单个齿的齿根应力分析 3 2 1 模型的导入 用 proe 建立起单个齿的锥齿轮 单击工具栏上的 ansys10 0 按钮中的 ANSYSGEOM 选项 ansys 被打开 模型已经被导入 单击 ansys 工具栏上的 plot 菜单中的 volume 选项显示体积 就可以看到在 proe 中创建的模型 3 2 2 定义单元类型 陕西理工学院毕业论文 设计 第 36 页 共 67 页 将分析设置为结构分析 如图 3 4 选择 structural 在进行有限元分析时 首先应根据分析问题的集合结构 分析类型和所分析的问 题精度要求等 选定适合具体分析的单元类型 再此选择 8 节点的二维单元 8node82 A 命令 preprocessor element type add edit delete 打开单元类型对话框如图 3 20 图 3 20 添加单元类型对话框 图 3 21 选择单元类型 B 单击 add 按钮 将打开 library of element type 单元类型库 如图 3 21 C 然后在左边的列表框中选择 solid 选项 选择实体单元类型 D 在右边的列表框中选择 brick 8node 45 选项 E 单节 OK 按钮 将该单元添加 并关闭单元类型对话框 同时返回到第一步打开 的单元类型对话框 3 2 3 定义材料属性 A 从主菜单中选择 preprocessor material props material model 命令 将打开 define material model behavior 定义材料模型属性 窗口 如图 3 22 陕西理工学院毕业论文 设计 第 37 页 共 67 页 图 3 22 定义材料属性 B 依次双击 structural linear elastic isotropic 展开材料属性的树形结构 将打开 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框 如图 3 23 图 3 23 定义弹性模量及泊松比 C 在对话框的 EX 文本框中输入材料的弹性模量 2 06e11 在 PRXY 文本框中输入泊 松比 0 3 D 单击 OK 按钮 关闭对话框 并返回到定义材料模型属性窗口 在此窗口的左边 一栏出现刚刚定义的参考号 1 的材料属性 关掉此对话框 3 2 4 划分网格 A 从主菜单中选择 preprocessor meshing meshtool 将打开网格划分工具对话框 如图 3 24 B 选择 mesh 域中的 areas 单击 mesh 打开面选择对话框 要求选择要划分的面 单击此齿廓截面 陕西理工学院毕业论文 设计 第 38 页 共 67 页 C ansys 会根据进行的线控制划分面 划分网格会出现 ansys 的提示 在提示对话 框中单击 OK 在工具栏单击 save db 保存数据 划分后的面如图 3 25 图 3 24 划分工具 图 3 25 划分后的一个齿 3 2 5 施加约束条件 A 从主菜单中选择 main menu solution define loads apply structural displacement on areas 命令 打开线选择对话框 要求选择欲施加约束的面 如图 3 26 B 选择齿廓截面的底部的面 单击 Apply 按钮 打开 apply U Rot on areas 对话框 如图 3 27 陕西理工学院毕业论文 设计 第 39 页 共 67 页 图 3 26 选取约束面 图 3 27 限制自由度 C 选择 all dof 选项 单击 OK 按钮 限制所有的自由度 3 2 6 施加载荷 A 从主菜单中选择 main menu solution define loads apply structural pressure on areas 命令 打开线选择对话框 要求选择欲施加载荷的面 这里选择理论啮合线附近的近似啮合平面 图 3 28 中的 A11 陕西理工学院毕业论文 设计 第 40 页 共 67 页 图 3 28 显示面编号 B 选择这个曲面后单击 apply 按钮 打开 apply PRES on areas 对话框 在 value 的文本框中输入压力值 单击 OK 按钮 如图 3 29 C 单击 save db 按钮保存数据库 图 3 29 施加压力 3 2 7 求解 A 从主菜单中选择 main menu solution solve current LS 命令 打开一个确认 对话框和状态列表 如图 3 30 所示 要求查看列出的求解选项 图 3 30 求解选项 陕西理工学院毕业论文 设计 第 41 页 共 67 页 B 查看列表中的信息确认无误后 单击 OK 按钮 开始求解 C 求解完成后打开如图 3 31 所示的提示求解完成的对话框 D 单击 close 按钮 关闭提示求解完成对话框 图 3 31 求解完成 3 2 8 查看结果 求解完成后就可以利用 ansys 软件生成的接货文件进行后处理 A 显示变形形状 B 从主菜单中选择 main menu general postproc plot results deformed Shape 命令 打开 plot deformed Shape 对话框 如图 3 32 所示 图 3 32 变形查看 C 选择 def undeformed 选项 表示变形前后的形状对比 单击 OK 按钮即可看到 变形形状 如图 3 33 图 3 33 一个齿变形图 陕西理工学院毕业论文 设计 第 42 页 共 67 页 D 查看 von mises 等效应力 从主菜单中选择 main menu general postproc plot results contour 1 plot nodal solu 命令 打开 contour nodal solution data 对话框 在 item to be contoured 域左边的列表中选择 stress 选项 2 在下面的列表框中选择 von mises stress 选项 如图 3 34 所示 3 选择 def shape only 单选按钮 4 单击 OK 按钮 图形窗口中显示出 von mises 等效应力分布图 如图 3 35 所示 5 图 3 34 查看应力 陕西理工学院毕业论文 设计 第 43 页 共 67 页 图 3 35 应力等值线图 3 3 齿轮啮合齿面接触应力的二维截面分析 接触问题存在两个较大的难点 一 在求解问题前 并不知道接触的区域 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 边界条件和其他因素而 定 二 大多的基础问题需要计算摩擦 有几种摩擦和模型供选择 它们都是非线性 的 摩擦是问题的收敛性变的困难 3 3 1 建立模型 将在 proe 中创建的一个完整的齿轮截面模型保存为 IGS 格式 用 ansys 打开 3 3 2 定义单元类型 在进行有限元分析时 首先应根据分析问题的集合结构 分析类型和所分析的问 题精度要求等 选定适合具体分析的单元类型 再此选择 6 节点的三角形二维单元 6node2 A 命令 preprocessor element type add edit delete 打开单元类型对话框如图 3 36 图 3 36 添加单元类型对话框 图 3 37 选择单元类型 B 单击 add 按钮 将打开 library of element type 单元类型库 如图 3 37 陕西理工学院毕业论文 设计 第 44 页 共 67 页 C 然后在左边的列表框中选择 solid 选项 选择实体单元类型 D 在右边的列表框中选择 6 节点的三角形二维单元 6node2 E 单节 OK 按钮 将该单元添加 并关闭单元类型对话框 同时返回到第一步打开 的单元类型对话框 F 单击 close 按钮 关闭单元类型对话框 结束单元类型的添加 3 3 3 定义材料属性 考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度 具体步骤如下 A 从主菜单中选择 preprocessor material props material model 命令 将打开 define material model behavior 定义材料模型属性 窗口 如图 3 38 图 3 38 定义材料属性 B 依次双击 structural linear elastic isotropic 展开材料属性的树形结构 将打开 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框 如图 3 39 图 3 39 定义弹性模量及泊松比 C 在对话框的 EX 文本框中输入材料的弹性模量 2 06e11 在 PRXY 文本框中输入泊 陕西理工学院毕业论文 设计 第 45 页 共 67 页 松比 0 3 D 单击 OK 按钮 关闭对话框 并返回到定义材料模型属性窗口 在此窗口的左边 一栏出现刚刚定义的参考号 1 的材料属性 E 依次双击 structural Friction Coefficient 打开定义材料密度对话框 如图 3 40 图 3 40 定义摩擦系数 F 在 MU 文本框中输入密度数值 0 3 G 单击 OK 按钮 关闭对话框 并返回到定义材料模型属性窗口 在此窗口的左边 一栏参考号为 1 的材料属性下方出现密度项 关闭此窗口 3 3 4 建立齿轮面模型 A 将激活的坐标系设置为总体直角坐标系 从实用菜单中选择 workplane change active CS to Global Cartesian B 在直角坐标系下进行复制面 从主菜单中选择 main menu preprocessor modeling copy areas 1 单击 pick all 如 3 41 图所示 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 46 页 共 67 页 图 3 41 复制齿轮面 ansys 会提示复制的数量和偏移的坐标 在 number of copies 文本框中输入 3 2 在 X offset in active CS 文本框中输入齿轮分度圆直径 60 相当于两齿轮啮合时 的中心距 单击 OK 如图 3 42 所得结果如图 3 43 所示 图 3 42 复制面的参照坐标 图 3 43 复制完成 C 创建局部坐标系 从实用菜单中选择 workplane Local Coordinate systems creat local CS at 1 specified loc 在 Global cartesian 文本框中输入 60 0 0 然后点击 OK 得到 creat local 2 陕西理工学院毕业论文 设计 第 47 页 共 67 页 CS at specified location 对话框 如图 3 44 所示 图 3 44 创建坐标系图 3 45 坐标系位置 在 ref number of new coord sys 中输入 11 在