1、毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 ANSYS 的齿轮接触应力有限元分析 一 、 研究现状及研究主要成果 1. 基于 ANSYS 的渐开线啮合齿轮有限元分析中指出：采用有限元软件 ANSYS 建立了啮合齿轮的有限元模型，利用 ANSYS 软件的非线性接触分析功能，对啮合齿轮的接触问题进行仿真，计算出接触应力，为齿轮的强度计算和设计在方法上提供了参考和依据。建立了渐开线圆柱啮合齿轮的三维有限元模型；研究了齿轮系统整体分析中接触对的建立、齿轮加载方式的选择；研究了齿轮副结构有限元分析方法。采用在圆柱面的节点上加 切向力来代替力矩的加载方式，对齿轮面接触参数进行设置，并且得到了接触分析的
2、最终结果，说明该有限元建模的方法是可行的，为将来齿轮系统动力学的研究奠定基础。 2.基于 ANSYS 的多齿差摆线齿轮有限元分析中指出：应用 ANSYS 分析软件对多齿差摆线齿轮进行建模，推导出不同啮合相位角摆线齿轮根部应力计算公式，计算了不同啮合相位角摆线齿轮根部应力，找出齿轮齿根过渡圆弧半径与齿根处最大应力的关系和摆线齿轮根部过渡圆弧半径对齿轮根部应力的影响。摆线齿轮在齿顶啮合时齿轮根部具有最大应力值，采用了过渡圆弧的摆线齿轮齿根危险 截面处的最大应力值明显比未采用过渡圆弧的摆线齿轮低，危险截面处的最大应力值随着过渡圆弧半径的增大而减小，当圆弧半径较小时最大应力减小趋势较快，当圆弧半径逐渐
3、增大时应力减小趋势逐渐变缓。 3.齿轮接触有限元分析指出：计算接触非线性问题有许多方法，例如罚函数法、拉格朗日乘子法等，其中罚函数法由于其经济和方便而得到广泛使用。过去使用点 -点接触单元，求解接触问题，对于象齿轮类接触，模型构造很麻烦，计算结果精度和准确性很难保证。随着计算机和有限元法的发展，新的接触单元法产生精确的几何模型，自动划分网格，适应求解。 通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型，并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力，与赫兹理论比较，同时也计算了摩擦力对接触应力的影响。计算分析了单元离散、几何、边界范围与加载或约
4、束处理方式的误差，建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准，说明了新的接触单元法的精确性、有效性和可靠性。 4.渐开线直齿圆柱齿轮有限元仿真分析中指出： ANSYS 软件对齿轮变形和齿根应1 力进行了有限元计算，建立了一对齿轮接触仿真分析的模型，利用 ANSYS 的面面接 触单元进行齿轮接触仿真分析，计算了齿轮啮合中的接触应力和接触变形，说明了 ANSYS 在齿轮计算尤其在接触分析上的有效性，为齿轮的优化设计和可靠性设计及 CAE 奠定了基础。利用 ANSYS 大型通用分析软件以直齿圆柱齿轮为例分析了齿轮受载时单齿齿根应力分布以及轮齿加载点处法向和对称中心点变形值，通过一对齿轮轮齿接触仿真分析，
5、分析了轮齿变形和应力在齿轮啮合过程中的变化。 二、 发展趋势 有限元的发展概况 1943 年 courant 在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究 St.Venant 的扭 转问题。 1960 年 clough 的平面弹性论文中用 了 “ 有限元法 ” 这个名称。 1965 年 冯康发表了论文 “ 基于变分原理的差分格式 ” ，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。 1970 年 随着计算机和软件的发展，有限元发展起来。 ANSYS 是一个多用途的有限元分析软件，用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理
6、，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。利用 ANSYS 有限元分析，可以对各 种机械零件，构件进行应力，应变，变形，疲劳分析，并对某些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。 由于其方便性、实用性和有效性 ， ANSYS 软件在各个领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。 齿轮是现代机器设备的基础元件之一，广泛应用于机械传动，如飞机、汽车等。精确描述齿轮传动中齿轮内部的应力，应变状况，对优化齿轮结构，获得高性能的齿轮传动机构具有重大意义。由于其形状比较复杂，用传统的计算方法不能确定其真实的应力及变形分布规律，因此从弹性力
7、学出发，用现代设计方法研究齿轮的受载变形情况和 接触强度，具有广泛的用途，它可以提高整个齿轮结构的设计水平。随着计算机技术的发展和大型有限元分析软件的出现，基于 CAD CAE 技术的结构仿真分析方法给人们展示了在实际工况下，齿轮的应力，应变分布情况，为齿轮的设计和制造提供了有力的依据。相对于传统的计算方法，有限元由于其能快速、准确可靠、灵活地分析计算，在国内外齿轮设计和计算中得到广泛应用。齿轮变形的有限元分析七十年代已开始，但仅仅计算挠曲变形，接触变形和接触应力的有限元分析在九十年代才真正开始，主要方法有罚函数法，拉格朗日乘子法等，其中罚函数法由于经济和方 便，得到了广泛使用。 2 三、 存
8、在问题 1)虽然有较多研究对齿轮的几何模型作了精确的模拟，对齿轮传动中齿根应力因几何非线性而产生的应力集中作了详尽描述，但没有提及材料非线性产生的应力集中对齿根应力分布的影响。在以后的研究中应增加加工刀痕产生的应力集中的模拟。 2) 在动力分析方面，本文仅考虑静力低速情况下的应力响应。以后应增加在高速冲击情况下的应力、模态分析，因为高速情况下，齿轮因离心作用将产生预应力，使应力分布更加复杂。 3)应进一步考虑摩擦及热效应的影响，从而能真正模拟实际工况下的齿轮传动。 4)应进一步进 行复杂齿轮的静力动力的结构仿真研究，将研究的范围进一步扩大到包括齿轮轴及其支撑件的接触仿真分析。 参考文献 1 孙
9、桓等 .机械原理 M.第七版 .北京 :高等教育出版社 ,2006.5,174-189. 2 杜白石等 .三维机械设计基础教程 M.陕西 :西北农林科技大学 ,2009. 3 易日 .使用 ANSYS6.1 进行结构力学分析 M.北京 :北京大学出版社 ,第四版 . 4 杨创创等 .有限元软件 ANSYS 11.0 上机指导 M.陕西 :西北农林科技大学机电学院 ,2010. 5 曾攀 .有限元分析基础教 程 M.北京 :清华大学 ,2008 年 . 6 ansys 适合初学者教程 ,网址 :ftp:/ 7 ANSYS LS-DYNA 教程及练习 ,网址 :ftp:/ 8 王新敏 .王新敏 A
10、NSYS 讲义 ,网址 :ftp:/ 9 刘斌彬 .ANSYS 有限元齿轮接触及弯曲应力研究 J.机电技术 ,2009,3. 10 ANSYS 接触分析实例 ,网址 :http:/ 11 基于 ANSYS 的齿轮有限元分析 , 网址 :http:/ 12 吴宗泽等 .机械设计课程设计手册 M.第三版 .北京 :高等教育出版社 ,2006 年 . 13 黄亚玲 .基于 ANSYS 的斜齿轮 接触非线性有限元分析 J.理论与探索 ,2006,4. 14王丽娟等 .基于 ANSYS的齿轮模型建立及齿根弯曲应力分析 J.机械工程与自动化 , 2008,2. 15 戴进 .基于齿轮加工原理的精确建模及
11、ANSYS 有限元分析 J.CAD/CAM/CAPP 应用 ,2007. 16 李珊珊等 .基于 ANSYS 的斜齿轮接触应力有限元分析 J.机械工程与自动化 ,20093 年 ,第四期 . 17 雷镭等 .基于 ANSYS 有限元软件的直齿轮接触应力分析 J.机械传动 ,2006 年 . 18 林吉靓等 .基于 ANSYS的齿轮参数化建模和弯曲应力分析 J.制造业信息化 ,2007. 19 周秦源 .基于 Pro/E和 ANSYS的齿轮接触应力的有限元分析 J.沈阳航空工业学院学报 ,2007， 24(4). 20 杨会霞等 .基于 Pro/E 和 ANSYS 的斜齿轮建模和应力分析 J.设
12、计与研究 ,2008. 21 邱宣怀等 .机械设计 M.北京 :高等教育出版社 ,1997 年 ,第四版 ,204-232. 22 董文俊等 .精确建模条件下标准直齿轮啮合传动分析 J.机械设计与制造 ,2009,6. 23 龚曙光等 .ANSYS 操作命令与参数化编程 M.第三版 .北京 :机械工业出版社 ,2004. 24 Handschuh RF, Lewicki DG,Bossler RB. Experimental testing of prototype face gears for helicopter transmissions J. Journal of Aerospace
13、Engineering,1994, 208(2):129 136. 25 Litvin FL. Development of Face-Gear Technology for Industrial and Aerospace Power Transmission R. NASA /CR220022211320. 26 Litvin FL, Wang JC, Bossler RB. Application of face-gear drives in helicopter transmissions J. Journal of Mechanical Design, Transactions of
14、 the ASME, 1994,116(3):672 676. 27 Robert C B. Advanced rotorcraft transmission programA.46th Annual Forum, Proceedings of the American Helicopter SocietyC, Washington: Publish by American Helicopter Soc, 1990. 28 Litvin FL,Zhang Y, Wang JC, et al. Design and geometry offace-geardrivesJ.Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME,1992(114):642 647.
