安徽工程大学毕业设计论文 基于ansys的非圆斜齿轮啮合热特性分析

基于ANSYS的非圆斜齿轮啮合热特性分析摘要本课题是设计型课题，设计的主要内容是基于ANSYS非圆斜齿轮啮合热特性分析。针对非圆斜齿轮特征及相关参数，在UG软件中准确建立三维模型，并将建立的模型导入ANSYS分析软件中分析研究其啮合的热力学特征传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，有可能在标定转速内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。运用有限元分析软件ANSYS对齿轮齿根应力和齿轮接触进行分析计算,得出两个大小齿轮的接触温度分布云图。计算结果准确直观，为非圆斜齿轮接触热分析和强度校核提供了快速有效的方法。在应用大型有限元ANSYS分析软件时，重点关注齿轮啮合出受载变形，重合度变化，传动比变化。本文介绍了ANSYS接触分析方法，对其中遇到的接触问题进行探讨，对在计算过程中可能影响收敛的因素处理界面约束的方法、摩擦模型、接触强度、初始接触条件的选择和模拟提出建议，通过算例说明了有限元分析在齿轮接触问题上的有效性。为其他类型接触问题的分析提供了参考。关键词非圆斜齿轮；ANSYS；有限元分析；接触对；热特性HEATANALYSISOFNONCIRCULARHELICALGEARTEETHBASEDONANSYSABSTRACTTHISTOPICISTYPEDESIGNTOPIC,THEDESIGNOFTHEMAINCONTENTISBASEDONANSYSNONCIRCULARGEARMESHINGTHERMALCHARACTERISTICANALYSISINCLINEDACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHEHELICALGEARROUNDANDRELATEDPARAMETERS,INUGSOFTWARETOESTABLISHCORRECT3DMODEL,ANDWILLBUILDTHEMODELINTOANSYSANALYSISSOFTWAREANALYSISTOSTUDYTHECHARACTERISTICSOFTHEMESHINGTHERMODYNAMICSDRIVINGGEARINTHEPROCESSOFWORKBYPERIODICLOADOFFORCES,MAYHAVEOCCURREDWITHINTHESTRONGCALIBRATIONSPEEDRESONANCE,DYNAMICSTRESSINCREASESHARPLY,CAUSEPREMATUREFATIGUEANDREVERSEGEARBENDINGFATIGUEBYUSINGTHEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSGEARTOOTHROOTSTRESSANDGEARCONTACTANALYSISCALCULATED,TWOSIZEOFGEARCONTACTTEMPERATUREDISTRIBUTIONINTHECLOUDTHECALCULATEDRESULTSAREACCURATE,INTUITIVE,ANDFORTHEROUNDTHEHELICALGEARCONTACTTHERMALANALYSISANDSTRENGTHCHECKPROVIDESARAPIDANDEFFECTIVEMETHODINTHEAPPLICATIONOFFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSLARGE,FOCUSONTHEGEARENGAGEMENTBYTHEDEFORMATION,CHANGETHECOINCIDENCEDEGREE,TRANSMISSIONRATIOCHANGETHISPAPERINTRODUCESTHEANALYSISMETHODOFANSYSCONTACT,ANDONONEOFTHEMTOMEETTHECONTACT,THEARTICLEDISCUSSESTHECALCULATIONPROCESSOFMAYAFFECTTHECONVERGENCEOFFACTORSDEALWITHTHEMETHODOFINTERFACERESTRICTION,FRICTIONMODEL,THECONTACTSTRENGTH,INITIALCONTACTCONDITIONSOFTHESELECTIONANDSIMULATIONRECOMMENDATION,ANUMERICALEXAMPLEISGIVENTOILLUSTRATETHEFINITEELEMENTANALYSISOFTHEPROBLEMSINGEARCONTACTONEFFECTIVENESSFOROTHERTYPESOFCONTACTPROBLEMANALYSISPROVIDESREFERENCEKEYWORDSNONCIRCULARHELICAL；ANSYS；FINITEELEMENT；CONTACTPAIR；HEATCHARACTER目录引言1第1章概述211国内外研究现状212本文研究主要内容213本文研究意义3第2章有限元法与ANSYS421有限元分析方法概述422有限元分析的基本思想423ANSYS的主要功能5第3章UG圆柱斜齿轮实体建模631三维建模软件的选择632直齿轮参数化建模633斜齿轮参数化建模与装配8第4章ANSYS圆柱斜齿轮热分析1041圆斜齿轮导入ANSYS界面1042定义工作文件和题目1043定义单元类型1144定义材料属性1245划分有限元网格1446创建接触对1547设置载荷步并稳态求解1748评价节点结果19第5章UG非圆斜齿轮实体建模2251非圆齿轮渐开线CAD齿廓形成2252非圆直齿轮UG实体建模2253非圆斜齿轮建模与装配23第6章ANSYS非圆斜齿轮热分析2461非圆斜齿轮导入ANSYS界面2462定义单元类型和材料属性2463网格划分2664创建接触对2765施加载荷与边界约束2866设置载荷步并稳态求解3167评价节点结果32结论与展望36致谢38参考文献39附录A外文翻译40附录BGUI圆柱斜齿轮操作步骤48附录CGUI非圆斜齿轮操作步骤58插图清单图31齿轮轮廓渐开线参数化生成3图32创建齿顶圆3图33变换操作界面6图34复制渐开线7图35生成齿槽轮廓线8图36创建圆柱体参数界面8图37直齿轮模型建立9图38螺旋线生成9图39左旋圆柱斜齿10图310右旋圆柱斜齿轮11图311装配约束11图312圆柱斜齿轮装配模型建立12图41UG导出文件界面10图42导入ANSYS零件修改界面10图43斜齿轮实体模型导入ANSYS10图44定义单元类型11图45定义材料弹性模量和泊松比12图46定义摩擦系数12图47定义材料密度13图48输入导热系数13图49定义比热容13图410输入对流系数14图411设置单元尺寸14图412有限元智能网格划分15图413选择接触面15图414选择接触面上节点15图415创建接触面上节点16图416定义接触向导16图417定义接触对16图418施加温度约束17图419施加对流系数17图420建立局部坐标系18图421施加与第一齿轮接触面上节点对流系数19图422设置载荷步选项卡19图423求解结果19图424设置边缘选项卡20图425温度分布云图20图426THERMALGRADIENTX21图427THERMALGRADIENTY21图428THERMALFLUXX21图429THERMALFLUXY21图430THERMALFLUXZ21图431THERMALFLUX21图51CAD非圆齿廓线22图52导入UG操作界面23图53UG生成非圆齿轮轮廓线23图54UG非圆直齿轮模型建立23图55非圆斜齿轮23图56非圆斜齿轮装配23图61导入ANSYS界面非圆斜齿轮24图62定义材料弹性模量和泊松比25图63设置材料密度25图64输入导热系数25图65输入对流系数26图66有限元智能网格划分26图67创建节点27图68定义接触向导选项卡27图69创建接触对拾取选项卡27图610ANSYS显示接触对28图611施加对流系数选项卡29图612ANSYS施加对流系数结果29图613在节点上施加温度载荷29图614创建局部坐标系30图615另一齿轮面节点上施加对流系数30图616面载荷显示结果31图617间断载荷步设置32图618运算结果汇总32图619运算结果汇总32图620温度分布云图33图621THERMALGRADIENTX33图622THERMALGRADIENTY33图623THERMALGRADIENTZ33图624THERMALGRADIENT33图625THERMALFLUXX34图626THERMALFLUXY34图627THERMALFLUXZ34图628THERMALFLUXZ34图629热流量向量显示方式34表格清单表31斜齿轮的基本参数6表41斜齿轮的材料属性11表42斜齿轮热分析施加载荷参数11表51非圆齿轮建模参数列表22引言齿轮是机械中广泛应用的传动零件之一，形式很多，应用广泛。齿轮传动具有传动功率范围大、传动效率高、结构紧凑、传动比准确、使用寿命长、工作可靠性好等优点。因此齿轮传动技术成为机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平。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，齿轮被公认为工业和工业化的象征。但从零件的失效情况来看，齿轮也是最容易出故障的零件之一。齿轮传动在运行工况中常常会发生轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形等很多问题。导致传动性能失效，进而引发严重的生产事故。据统计，在各类机械故障中齿轮失效就占总数的60以上，其中齿面损坏和齿根断裂均为齿轮失效的主要原因。因而有必要对齿轮接触状态的强度性能进行合理的评估并校核其结构的可靠性1。为此人们对齿轮的齿面接触应力进行了大量的研究与分析。然而，传动齿轮复杂的应力分布情况和变形机理成为了齿轮设计困难的主要原因，而有限元理论和各种有限元分析软件的出现，让普通设计人员无需对齿轮做大量的分析研究，就可以基本掌握齿轮的受力和变形情况，并可以利用有限元计算结果，找出设计中的薄弱环节，进而达到齿轮进行设计的目的。由美国ANSYS公司开发的计算机模拟工程结构有限元分析软件ANSYS现已成为世界顶端的有限元分析软件。它融结构、传热学、流体、电磁、声学、爆破分析于一体，具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力。目前广泛应用于土木、水利水电、汽车、机械、采矿、核工业、船舶、日用家电等领域、ANSYS软件作为一款通用有限元分析软件，其强大的建模、网格划分和分析功能极大的方便了用户对产品进行分析。本文以ANSYS软件为平台，以斜齿非圆柱齿轮为实例，研究了在ANSYS环境下实现齿轮精确建模、齿根应力分析、接触应力分析的方法。随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为齿轮强度校核的方法。而齿轮传动向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代齿轮设计对齿轮传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。齿轮设计的主要内容之一是轮齿。因此，建立比较精确的分析模型，准确的掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。由于ANSYS不便于进行复杂曲面建模，本文利用三维造型软件UG/NX构建了一对精确啮合的齿轮副，然后在ANSYS中读取此模型。建模型时，只建斜齿轮两对齿在某一时刻相啮合的有限元模型。通过以上简化，减小了实际模型的大小，大大减少了计算量。根据有限元分析结果，与赫兹公式计算结果进行对比，验证了分析结果的可靠性，在保证结构安全可靠运行的条件下，提高设计制造的效率，降低设计研制成本。第1章概述11国内外研究现状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FEM2。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3。对齿轮进行模态分析方面，叶友东等研究了直齿圆柱齿轮的固有特性，采用有限元法建立了直齿圆柱齿轮的动力学模型，通过有限元分析软件ANSYS对齿轮进行了模态分析，得到了齿轮的低阶固有频率和主振型，为齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础4。陶泽光等建立了单级齿轮减速器的有限元模型，用IDEAS软件研究了该系统的固有特性。马红采用有限元法分析了齿轮轴承转子系统的弯扭耦合振动，讨论了弯扭藕合对系统固有频率、振型及稳定性的影响。CHOY等人提出了一个分析方法来模拟齿轮转动系统中的振动，该方法把转子轴承齿轮系统的动态特性同齿轮箱结构的振动相耦合，用有限元模型表示齿轮箱结构，使用NASTRAN软件求解模态参数。杨晓宇建立了齿轮传动系统和结构系统的三维动力有限元模型，计算了由齿轮传动轴轴承箱体组成的齿轮系统的动态响应，给出了齿轮箱受迫振动的位移时间历程，并对整个齿轮系统进行了试验模态分析5。刘辉等研究了斜齿轮体的固有振动特性并归纳了齿轮本体和轮齿的主要振型类型，分析了齿轮本体结构对固有频率的影响以及相邻齿对轮齿模态特性的影响，所得结论为动态设计提供参考。于英华等采用PRO/E软件实现斜齿轮的参数化建模并利用ANSYS有限元软件对斜齿轮进行模态分析，研究斜齿轮的固有振动特性，得到了斜齿轮的低阶固有振动频率和主振型6。国际上，齿轮传动装置正沿着小型化高速化低噪音高可靠性方向发展，为提高齿轮传动的承载能力，硬齿面齿轮设计制造技术，日益受到普遍的关注，以提高齿轮齿面硬度缩小传动装置的尺寸7。由于数控技术和计算机技术的发展，应用传递两轴间非匀速比运动的非圆齿轮传动已在各种机器及仪表，如机床、轻工机械、汽车以及流量表等中逐步发展起来，其应用效果是十分显著的，如锥形立铣刀的刀刃是圆锥面上的螺旋线，采用非圆齿轮使等导程螺旋线改变为等螺旋角螺旋线，可以改善铣刀的切削性能8；在汽车变传动比转向器中，采用的齿条与齿扇传动设计，就是利用非圆齿轮的传动原理9；此外，钢带轧制生产线中最后切断工序的滚筒式飞剪机，就是利用非圆齿轮装置，来保证钢带的同步剪切10。12本文研究主要内容本课题是设计型课题，设计的主要内容是基于ANSYS非圆斜齿轮啮合热特性分析。首先我们应该对非圆斜齿轮的相关知识有一定的认识，非圆齿轮节曲线上各点到其回转中心的距离是不相等的。非圆齿轮机构可以实现变传动比传动,非圆齿轮与某些构组合可以实现许多特殊规律的运动等。针对非圆斜齿轮特征及相关参数，在UG软件中准确建立三维模型，并将建立的模型导入ANSYS分析软件中分析研究其啮合的热力学特征。因此，本课题的关键在于齿轮模型的精确建立以及ANSYS软件的扎实掌握。在应用大型有限元ANSYS分析软件时，重点关注齿轮啮合出受载变形，重合度变化，传动比变化等。13本文研究意义齿轮传动是机械传动中最重要的传动部件，被广泛的应用在各个生产领域中，经常用在重要的场合；传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，有可能在标定转速内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。根据齿轮工作特点，在传递功率和运动过程中，轮齿齿根产生弯曲应力，齿面产生接触应力，齿面间相对滑动摩擦而产生磨损。齿轮主要失效特征是弯曲应力作用造成轮齿的变形和折断、接触应力作用而造成的表面疲劳剥落和摩擦作用而造成的磨损11。静力学计算不能完全满足设计要求，因此有必要对齿轮进行模态分析，研究其热特性，得到啮合处应力以及受热变化图模型12。同时，模态分析也是其它动力学分析如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。针对该项目的主要内容，在实施过程中有助于本人温习并巩固齿轮相关知识，掌握一般实体（齿轮）建模，了解相应模态分析应用软件（ANSYS），使自己能运用本科所学全部知识解决实际问题，基本掌握设计型课题的实施方法步骤，为今后的工作打下基础。第二章有限元法与ANSYS21有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及高速冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决13。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（CLOUGH）教授形象地将其描绘为“有限元法RAYLEIGHRITZ法分片函数”，即有限元法是RAYLEIGHRITZ法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的RAYLEIGHRITZ法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。22有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，FINITEELEMENTANALYSIS）的基本思想是用较为简单的问题代替比较复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，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替代。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值。离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递，通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。离散的目的就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界转换条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。有限元法的离散思想借鉴于差分法，但做了适当改进。首先，差分法是对计算对象的微分方程和边界条件进行离散，而有限元法是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理模型的微分方程尚不能列出，但离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状并不限于规则网格，各个单元的形状和大小也并不要求一样，因此在处理具有复杂几何形状和边界条件以及在处理具有像应力集中这样的局部特性时，有限元法的适应性更强，离散精度更高。变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近真实函数，当真实函数性态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂，再用统一的试探函数就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就需要阶次很高的试探函数。同时由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求问题的求解很困难。所以这类方法一般用于求解函数交规则和边界条件较简单的问题。分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数），积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元就能收敛于实际的精确解。从以上分析可知，有限元法是差分法的一种发展，又可以看成是里兹法的一种新形式。它兼顾了两者的优点，同时克服了各自的不足，因而具有更大的优越性和实用性。23ANSYS的主要功能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。第3章UG圆柱斜齿轮实体建模31三维建模软件的选择ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。虽然ANSYS本身具有建模功能，但是其建模能力非常有限，只能处理一些相对简单的模型。随着ANSYS的应用日益广泛，它需要处理的模型也越来越复杂，ANSYS自带的建模功能就显得非常不足，UG/NX拥有强大的参数化设计能力，可以进行复杂的实体造型14。所以利用ANSYS与UG/NX软件之间的模型数据转换，就可以充分发挥UG/NX软件强大的造型能力与ANSYS软件强大的分析功能15。在有限元分析过程中，建模是非常关键的步骤，模型是否准确将直接影响计算结果的正确性，如果模型错误或者误差太大，即使算法再精确，得到的分析结果将是错误的。一个渐开线轮齿，其截面曲线是由齿顶圆、渐开线、齿根过渡曲线和齿根圆四部分组成。建模的关键是如何获得精确的齿面曲线方程及如何生成齿面曲线。表31斜齿轮的基本参数32直齿轮参数化建模（1）创建凸轮轮廓曲线生成选择工具栏上【工具】/【表达式】，在弹出的【表达式】对话框中输入表达式和变量，如图31所示。在曲线工具条中选择规律曲线命令，在弹出的【规律函数】对话框中选择【根据方程】，在随后出现的对话框中连续单击三次【确定】，接受默认，以T为系统直接变量，XT为坐标X的变量，YT为Y的变量，ZT为坐标Z的变量。这样由参数方程确定的凸轮曲线就绘制出来了。齿轮模数MN齿数Z压力角ALPHA螺旋角BETA齿宽B齿顶高系数HA顶隙系数CX偏心率齿轮18332012899140250206齿轮2820710633204752712899150250206图31齿轮轮廓渐开线参数化生成（2）三维实体造型首先设置工作界面为俯视图，单击曲线工具条中的基本曲线图标，选择圆，分别以坐标原点为圆心，以RA，R，RF为半径生成齿顶圆、分度圆以及齿根圆，如图32所示。单击曲线工具条中的直线命令，在坐标原点和分度圆与渐开线的交点之间创建一条直线1，选择【编辑】/【变换】，在弹出的类型对话框选择直线1，单击【确定】按钮，在弹出的变换对话框中，选择绕点旋转，以坐标原点为基准点，设置旋转角度为360/33/4，如图33，即齿轮的4倍等分，旋转方向为顺时针，得到直线2。图32创建齿顶圆图33变换操作界面选择【编辑】/【变换】，在弹出的类型对话框中，选择渐开线，单击【确定】按钮，在弹出的变换对话框中，选择直线做镜像，选择现有的直线2作为镜像对称线，复制渐开线，如图34所示。删除直线1、直线2以及分度圆，然后作渐开线的延长线至齿根圆，然后单击编辑曲线工具条中的修剪曲线图标。用两条圆曲线对两条渐开线进行裁减，并运用圆角命令倒齿根圆，半径为038MM，得到齿槽轮廓线，如图35所示。图34复制渐开线图35生成齿槽轮廓线在特征工具条中选择，输入数值得到圆柱体，如图36所示。拉伸齿槽轮廓线，与圆柱体做布尔运算，得到单齿齿槽。选择【插入】/【关联复制】/【实例特征】，在弹出的对话框中选择圆形阵列，选择单齿槽为阵列特征，设置实例参数为数量33，角度360/33，设置回转轴为点和方向，在接下来的对话框中选择ZC轴为矢量方向，以及构造圆周阵列参数点（0,0,0），单击【确定】按钮，系统生成如图37所示结果。图36创建圆柱体参数界面图37直齿轮模型建立33斜齿轮参数化建模与装配由于渐开线斜齿轮端面齿廓形状和直齿轮完全相同，因此，在圆柱体端面上绘制出直齿轮轮廓后，将其沿斜齿轮螺旋线扫描切除，得到一个斜齿轮的齿槽特征，按照齿数阵列，就得到了斜齿轮造型。选择【插入】/【曲线】/【螺旋线】，在弹出的【螺旋线】对话框中设置参数，如图38所示，顶圆直径为276MM，顶圆螺旋角设为12889度，则螺距为89120TAN276143，旋转方式为右旋。选择【插入】/【扫掠】/【沿导引线扫掠】，以齿槽轮廓线为界面，螺旋线为引导线，Z轴为矢量方向，得到轮槽特征。选择【编辑】/【变换】，选择轮槽特征，以坐标原点为基点，旋转复制33个轮槽特征，角度为360/33。选择【插入】/【组合体】/【求差】，目标选择圆柱体，工具选择轮槽特征，得到斜齿轮造型，如图39所示。以同样的方式建立左旋的斜齿轮如图310所示。图38螺旋线生成图39左旋圆柱斜齿轮图310右旋圆柱斜齿轮选择【文件】/【新建】，建立一个新模型文件，以文件名“ZP”保存该文件。在【开始】菜单中选择【装配】，打开装配应用模块，开始装配。选择【插入】/【组件】/【添加组件】，插入斜齿轮。根据两齿轮中心距公式，齿轮1与齿轮2的中心距为M（Z1Z2）264MM，给两斜齿轮基准轴添加一个距离配合，选择【距离】进行装配，如图311所示。右击齿轮1、齿轮2，选择【替换引用集】/【整个部件】，使齿轮1、齿轮2显示其草图、基准平面等所有对象。右击齿轮1，选择【配对】，在弹出的配对对话框中选择进行【对齐】装配，分别使两齿轮端面和两基准面对齐，如图312所示。两基准面的对齐保证了两齿轮正确的啮合状态。图311装配约束图312圆柱斜齿轮装配模型建立第4章ANSYS圆柱斜齿轮热分析41圆斜齿轮导入ANSYS界面启动UG75打开圆柱斜齿轮，选择【文件】/【导出】/IGES格式，在导出选项中选择显示部件，与此同时在定义导出文件的位置，本人选择DXIECHIYUANZHUCHILUNIGS，单击确定按钮，如图41所示。打开ANSYS100工作界面，选择FILEIMPORTIGES格式，出现IMPORTIGESFILE对话框，在IGESIMPORTOPTION中选择DEFEATUREMODEL选项，单击OK按钮。如图42所示。在（AUX15）FILETOIMPORT中选择IGES所在文件位置，单击OK按钮，此时在ANSYS100中将显示一对装配完全以及可以进行修改的圆柱斜齿轮，如图43所示。图41UG导出文件界面图42导入ANSYS零件修改界面图43斜齿轮实体模型导入ANSYS42定义工作文件和题目（1）定义工作文件名UTILITYMENUFILECHANGEJOBNAME,在随后的对话框中输入工作文件名为“CIRCULARHELICALGEAR”，单击OK按钮。（2）定义题目UTILITYMENUFILECHANGETITLE，在随后出现的对话框中，输入“THERMALANALYSISOFCIRCULARHELICALGEAR”,单击OK按钮。（3）设置长度单位在命令提示行中输入“/UNITS,BIN”,确定。（4）斜齿轮分析参数表41斜齿轮的材料属性参数材料弹性模量E泊松比密度齿轮40CR206GPA0378KG/3103CM（5）ANSYS热特性分析参数列表如下表42斜齿轮热分析施加载荷参数温度70200300400500密度78007800780078007800导热系数8358909359801023比热容01130117011901220125对流系数42640535222122143定义单元类型MAINMENUPREPROCESSORELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE，出现一个“ELEMENTTYPE”对话框，单击“ADD”又出现一个“LIBRARYOFELEMENTTYPE”对话框，在左面的对话框中选择“THERMALSOLID”，在右面的对话框中选择“BRICK20NODE90”，单击OK按钮，再单击CLOSE关闭对话框，如图44所示。图44定义单元类型44定义材料属性（1）设置材料弹性模量和泊松比从主菜单中选择PREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELS，如下图所示依次双击STRUCTURALLINEARELASTICISOTROPIC。在弹出的对话框中设置材料的弹性模量EX206E11,泊松比PRXY03。如下图45所示。设置完毕后点击【OK】，回到材料属性对话框界面。图45定义材料弹性模量和泊松比（2）定义摩擦系数依次双击STRUCTURALFRICTIONCOEFFICIENT，打开材料摩擦系数对话框。如图46所示，设置摩擦系数为01。完毕点击【OK】，并退出材料属性设置对话框。图46定义摩擦系数（3）设置材料密度MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELS，出现一个“DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR”对话框，在右面的对话框中双击THERMAL，双击其下出现的“DENSITY”,出现一个“DENSITYFORMATERIALNUMBER1”,的对话框，在“DENS”后面的输入栏中输入“7800”,如图47所示，然后单击【OK】按钮，关闭该对话框。图47定义材料密度（4）输入导热系数MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELS，双击出现对话框中的“THERMAL”,双击“CONDUCTIVITY”,双击“ISOTROPIC”,出现一个“CONDUCTIVITYFORMATERIALNUMBER1”,对话框，连续单击“ADDTEMPERATURE”四次，出现如图48所示的对话框，然后在“TEMPERATURE”后面的五个输入栏中输入5个温度值，在“KXX”中后面的五个输入栏中输入相应的导热系数值。为了保持单位的一致性，输入栏中的导热系数数值均为表格中的数据除以12所得，再单击【OK】按钮。图48输入导热系数（5）定义比热容在“DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR”对话框右面的输入栏中，双击“SPECIFICHEAT”，出现一个SPECIFICHEATFORMATERIALNUMBER1话框，连续单击“ADDTEMPERATURE”四次，然后在“TEMPERATURE”后面输入五个温度值，在“C”后面的五个输入栏中输入与温度对应的比热系数，单击【OK】按钮，结果如图49所示。图49定义比热容（6）输入对流系数在“DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR”对话框右面的输入栏中，双击“CONVECTIONORFILMCOEF”,出现一个“CONVECTIONORFILMCOEFFICIENTFORMATERIALNUMBER1”对话框，在“TEMPERATURE”后面的输入栏中按小到大的顺序输入五个温度值，在“HF”后面的五个栏中输入与温度相应的对流系数，为了保持单位的一致性，输入的每个对流系数均由表格中的数据除以144得到，单击【OK】按钮，结果如图410所示。单击“MATERIALEXIT”。图410输入对流系数45划分有限元网格（1）设置单元尺寸执行MAINMENUPREPROCESSORMESHINGSIZECONTROLSMANUALSIZEGLOBALSIZE命令，在弹出的一个【GLOBALELEMENTSIZES】对话框。在【ELEMENTEDGELENGTH】文本框中输入“5”，单击【OK】，结果如图411所示。图411设置单元尺寸（2）采用智能网格划分方式生成有限元网格执行MAINMENUPREPROCESSORMESHINGMESHVOLUMESFREE命令，单击智能划分网格键【SMARTSIZE】，智能等级为“6”在弹出一个拾取框，单击【PICKALL】,生成的有限元分析模型如图412所示。图412有限元智能网格划分46创建接触对（1）从应用菜单中选择SELECTENTITIES，在类型下拉列表中选“AREAS”,点击【APPLY】，如图413所示。（2）打开先选择对话框，选择一个齿轮上可能与另一个齿轮相接触的面，点击【OK】，（3）在实体选择对话框中选择“NODES”,在选择方式中选择“ATTACHEDTO”,在单选列表中选择“AREAS,ALL”。如图414所示图413选择接触面图414选择接触面上节点（4）从实用菜单中选择SELECTCOMO/ASSEMBLYCREATECOMPONENT，在“COMPONENTNAME”文本框中输入”NODE1”,点击【OK】，如图415所示图415创建接触面上节点（5）从实用菜单中选择SELECTEVERYTHING。（6）在实体选择对话框中在类型下拉列表中选“AREAS”,选择方式选“BYNUM/PICK”,点击【APPLY】，弹出线选择对话框，选择另一个齿轮上可能与前一个齿轮相接触的面，点击【OK】。（7）在实体选择对话框中选择“NODES”,在选择方式中选择“ATTACHEDTO”,在单选列表中选择“AREAS,ALL”。（8）从实用菜单中选择SELECTCOMO/ASSEMBLYCREATECOMPONENT，在“COMPONENTNAME”文本框中输入”NODE2”,点击【OK】。（9）从实用菜单中选择SELECTEVERYTHING。（10）点击工具栏中的【接触定义向导】按钮（最后一项）如图416所示图416定义接触向导（11）选择工具条中的第一项，会打开下一步操作向导，在对话框中选择”NODE2”，并点击【NEXT】。（12）在对话框选取“NODE1”，点击【NEXT】后，出现如图417所示对话框。图417定义接触对（13）点击【CREATE】,显示建立接触对的结果。47设置载荷步并稳态求解471施加温度边界条件（1）将当前坐标系设置为总体柱坐标系。从实用菜单中选择WORKPLANECHANGEACTIVESCSTOGLOBALCYLINDRICAL。（2）从主菜单中选择PREPROCESSORMODELINGMOVE/MODIFYROTATENODECSTOACTIVECS，打开节点选择的对话框，要求选择欲旋转的坐标系的节点。（3）选择第一个齿轮接触面所有节点，点击【PICKALL】,节点的节点坐标系都将被旋转到当前激活的总体坐标系下。从实用菜单中选择SELECTENTITIES，弹出实体选择对话框,按照左图所示选择第一个齿轮接触面上所有的节点。（4）从主菜单中选择SOLUTIONDEFINELOADSAPPLYTHERMALTEMPERATUREONNODES，代开节点选择对话框，要求选择欲施加温度约束的节点。（5）选择第一个齿轮接触处所有节点，点击【PICKALL】，打开在节点上施加温度约束对话框。如图418所示，选择”ALLDOF”方向，即施加温度约束，点击【OK】。图418施加温度约束472施加对流载荷（1）从主菜单中选择SOLUTIONDEFINELOADSAPPLYTHERMALCONVECTIONONNODES，打开节点选择对话框，选择第一个齿轮接触处所有节点，点击【PICKALL】,打开在节点上施加约束对话框，按照下图419所示，点击【OK】。图419施加对流系数（2）从实用菜单中选择SELECTEVERYTHING。（3）从实用菜单中选择WORKPLANECHANGEACTIVESCSTOSPECIFIEDCOORDINATESYSTEM，在弹出的对话框中坐标编号中填11，如图420所示，点击【OK】。图420建立局部坐标系（4）从实用菜单中选择SELECTENTITIES，弹出实体选择对话框,按照下图所示选择第二个齿轮与第一个齿轮接触上所有节点。（5）从主菜单中选择SOLUTIONDEFINELOADSAPPLYTHERMALCONVECTIONONNODES，打开节点选择对话框，选择第二个齿轮与第一个齿轮接触处上所有节点，点击【PICKALL】,打开在节点上施加对流载荷约束对话框，按照下图421所示，点击【OK】。图421施加与第一齿轮接触面上节点对流系数（6）从实用菜单中选择SELECTEVERYTHING。（7）从主菜单中选择SOLUTIONANALYSISTYPESOLNCONTROLS,打开求解控制对话框，在“ANALYSISOPTIONS”下拉列表中选择“LARGEDISPLACEMENTSTATIC”,“TIMEATENDOFLOADSTEP”文本框中输入1，在“NUMBEROFSUBSTEPS”文本框中输入20，点击【OK】，如图422所示图422设置载荷步选项卡（8）从主菜单中选择SOLUTIONSOLVECURRENTLS,打开一个确认对话框和状态列表，要求查看列出的求解选项，查看列表中的信息确认无误后，点击【OK】，开始求解，点击【CLOSE】,关闭求解。图423求解结果48评价节点结果（1）边缘选项UTILITYMENUPLOTCONTROLSSTYLEEDGEOPTIONS,出现一个“EDGEOPTION”对话框，设置“PLOTELEMENTOUTLINES选项为“EDGESONLY/ALL”，单击【OK】按钮，如图424所示。图424设置边缘选项卡（2）查看温度分布云图从主菜单中选择GENERALPOSTPROCPLOTRESULTSCONTOURPLOTNODALSOLUTION,打开【CONTOURNODALSOLUTIONDATA】对话框，在左面栏中选择“DOFSOLUTION”，右面栏中选择“NODALTEMPERATURE”,单击【OK】,节点的温度分布显示如图425所示。图425温度分布云图（3）查看热流量分布云图在主菜单中选择MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTSNODALSOLUTION命令，弹出【CONTOURNODALSOLUTIONDATA】对话框，如图所示。在【ITEMSTOBECONTOURED】列表框中选择“THERMALFLUX”,在其子菜单中选择“THERMALFLUXVECTORSUM”,选项，单击【OK】按钮，生成的温度梯度总量云图如下图所示。图426THERMALGRADIENTX图427THERMALGRADIENTY（4）绘制热梯度分布云图执行MAINMENUGENERALPOSTPROCPLOTRESULTSNODALSOLUTION命令，弹出【CONTOURNODALSOLUTIONDATA】对话框，如图所示。在【ITEMSTOBECONTOURED】列表框中选择“THERMALFLUX”,在其子菜单中选择“THERMALGRADIENT”,在其子菜单中选择“THERMALGRADIENTVECTORSUM”选项，单击【OK】按钮，生成的热梯度总量云图如下图所示。图428THERMALFLUXX图429THERMALFLUXY图430THERMALFLUXZ图431THERMALFLUX第5章UG非圆斜齿轮实体建模51非圆齿轮渐开线CAD齿廓形成应用微积分关系，根据渐开线轮廓线创建非圆齿轮渐开线齿廓形状，如图表格511为非圆直齿轮二维建模参数。表51非圆齿轮建模参数列表参数偏心率半长轴节曲线长度齿数模数齿顶高系数HAN顶隙系数CN压力角非圆齿轮0615085085338102520齿轮渐开线参数方程X（DB/2）COS（S）（DB/2）RAD（S）SIN（S）Y（DB/2）SIN（S）（DB/2）RAD（S）SIN（S）Z0其中，S为参数方程的参数，0S90；DB为基圆直径；RAD表示将S角度转换为弧度值。根据相关参数建模如图51所示图51CAD非圆齿廓线52非圆直齿轮UG实体建模（1）非圆直齿轮二维图CAD导入UG75首先代开UG/NX75工作界面，单击【新建】建立一个非圆直齿轮零件工作名“NONCIRCULARHELICALGEAR”选择【文件】/【导入】/DXF/DWG,出现一个导入至DXF/DWG选项，选择DXF/DWG文件，如图52所示，单击【确定】，UG显示结果如图53所示。图52导入UG操作界面图53UG生成非圆齿轮轮廓线（2）UG非圆直齿轮实体模型生成单击【拉伸】命令，出现一个拉伸对话框，首先选择曲线拾取非圆直齿轮轮廓曲线，在指定矢量方向为Z轴方向，在【限制】对话栏中输入拉伸距离为30MM，单击【确定】按钮，绘制结果如图54所示。图54UG非圆直齿轮模型建立53非圆斜齿轮建模与装配UG中建立的非圆直齿轮，通过螺旋线可以生成。首先将非圆齿廓线沿一个方向复制，两者距离为齿厚，然后在两个非圆轮廓线之间创建一条直线，此直线为螺旋线扫略的导引线。然后根据圆柱斜齿轮建模，拉伸再环形阵列就生成非圆斜齿轮，如图55所示。在进行适当的装配约束就可以形成一对非圆斜齿轮的完整三维图形了，如图56。图55非圆斜齿轮图56非圆斜齿轮装配第6章ANSYS非圆斜齿轮热分析61非圆斜齿轮导入ANSYS界面打开ANSYS100工作界面，选择FILEIMPORTIGES格式，出现IMPORTIGESFILE对话框，在IGESIMPORTOPTION中选择DEFEATUREMODEL选项，单击OK按钮。在（AUX15）FILETOIMPORT中选择IGES所在文件位置，单击OK按钮，此时在ANSYS100中将显示一对装配完全以及可以进行修改的非圆斜齿轮，如图61所示。图61导入ANSYS界面非圆斜齿轮62定义单元类型和材料属性（1）定义单元类型MAINMENUPREPROCESSORELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE，出现一个“ELEMENTTYPE”对话框，单击“ADD”又出现一个“LIBRARYOFELEMENTTYPE”对话框，在左面的对话框中选择“THERMALSOLID”,在右面的对话框中选择“BRICK20NODE90”,单击OK按钮，再单击CLOSE关闭对话框。（2）定义材料属性1设置材料弹性模量和泊松比从主菜单中选择PREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELS，如下图所示依次双击STRUCTURALLINEARELASTICISOTROPIC。在弹出的对话框中设置材料的弹性模量EX206E11,泊松比PRXY03。设置完毕后点击【OK】，回到材料属性对话框界面，如图62所示。图62定义材料弹性模量和泊松比2）设置材料密度MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELS，出现一个“DEFINEMATERIALMODELBEHAVIOR”对话框，在右面的对话框中双击THERMAL，双击其下出现的“DENSITY”,出现一个“DENSITYFORMATERIALNUMBER1”,的对话框，在“DENS”后面的输入栏中输入“7800”,然后单击【OK】按钮，关闭该对话框，如图63所示。图63设置材料密度3）输入导热