【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力進(jìn)行分析。 齒輪嚙合過(guò)程作為一種接觸行為 , 因涉及接觸狀態(tài)的改變而成為一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題。傳統(tǒng)的齒輪理論分析是建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上的 , 對(duì)于齒輪的接觸強(qiáng)度計(jì)算均以兩平行圓柱體對(duì)壓的赫茲公式為基礎(chǔ) ,在計(jì)算過(guò)程中存在許多假設(shè) ,不能準(zhǔn)確反映齒輪嚙合過(guò)程中的應(yīng)力以及應(yīng)變分布 與變化。相對(duì)于理論分析 ,有限元法則具有直觀、準(zhǔn)確、快速方便等優(yōu)點(diǎn)。 ANSYS 是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種在計(jì)算數(shù)學(xué)，計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域最有效的通用有限元分析軟件。它是融結(jié)構(gòu)，熱，流體，電磁，聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件。利用 ANSYS 有限元分析，可以對(duì)各種機(jī)械零件，構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力，應(yīng)變，變形，疲勞分析，并對(duì)某些復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)虛擬的設(shè)計(jì)，從而大大節(jié)省人力，財(cái)力和物力。 由于其方便性、實(shí)用性和有效性 ， ANSYS 軟件在各個(gè)領(lǐng)域，特別是機(jī)械工程當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 課題研究背景 隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以有限元法為代表的數(shù)值計(jì)算方法為齒輪應(yīng)力和變形分析提供了一種方便、可靠的研究方法．目前齒輪工程中實(shí)用的數(shù)值解法主要有三種：有限差分法 (FDM)、邊界元法（ BEM)和有限元法 (FEM)。在數(shù)值計(jì)算方法中最引人注目的是有限元法。有限元法用于齒根應(yīng)力分析大約起始于二十世紀(jì)六十年代末、七十年代初，此后迅速發(fā)展，國(guó)外不少研究人員如 Chabert、 Wilcox、戶部、 Chang、 Bibel 等都進(jìn)行過(guò)這方面的研究工作．因此，在用有限元方法對(duì)直齒輪的齒根應(yīng)力進(jìn)行分析時(shí)，都 把它簡(jiǎn)化為力學(xué)中的平面應(yīng)變問(wèn)題。 為了進(jìn)行齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算，分析齒面失效和潤(rùn)滑狀態(tài)，必須分析齒面的接觸應(yīng)力。經(jīng)典的齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式是建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上，而對(duì)于齒輪的接觸強(qiáng)度計(jì)算均以 9 兩平行圓柱體對(duì)壓的赫茲公式為基礎(chǔ)。 由于齒輪副嚙合齒面的幾何形狀十分復(fù)雜，采用上面的方法準(zhǔn)確計(jì)算輪齒應(yīng)力和載荷分配等問(wèn)題非常困難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)的普及，齒輪接觸問(wèn)題的數(shù)值解法獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)值解法可以求解復(fù)雜的齒面接觸問(wèn)題，但不能給出一般性的函數(shù)關(guān)系。在工程應(yīng)用上數(shù)值解法具有很大的實(shí)用價(jià)值，己經(jīng)取得了很多重 要成果，例如有限元法、邊界元法、有限差分法以及與數(shù)值方法相配合的各種變分法、實(shí)變函數(shù)法、泛函分析法等。在所有這些方法中，有限元法的應(yīng)用最為廣泛，可以求解邊界條件、幾何形狀和載荷方式復(fù)雜的工程接觸問(wèn)題。 輪副在工作時(shí)，在內(nèi)部和外部激勵(lì)下將發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，一般包括固有頻率和主振型，它是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性之一，同時(shí)也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)載荷的產(chǎn)生與傳遞以及系統(tǒng)振動(dòng)的形式等都具有重要的影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率錯(cuò)開，可以有效的避免共振的發(fā)生。 然而，在齒輪的設(shè)計(jì)階段，往往很難得到齒輪固有特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能通過(guò)理論計(jì)算得到進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的參數(shù)，目前最好的方法是有限元分析法。 PRO/E 概述 Pro/Engineer 操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位， Pro/Engineer 作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。 Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工 程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 1． 參數(shù)化設(shè)計(jì) 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我 們可以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是 10 參數(shù)化的基本概念。 2． 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。 3． 單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像 一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā) 生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。 ANSYS 概述 ANSYS 有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序， 目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析，也可以用于動(dòng)態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問(wèn)題的研究 。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。 ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容 ：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 分析計(jì)算模塊 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 后處理模塊 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、 11 立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 200 種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 結(jié)構(gòu) 非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種 [12] 。 動(dòng)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力、加速度等得時(shí)間歷程），以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動(dòng)力特性等。 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 熱分析 程序可處理熱傳遞 的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 電磁場(chǎng)分析 主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 流體動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS 流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可 12 以是每個(gè)節(jié) 點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 聲場(chǎng)分析 ANSYS 把聲學(xué)歸為流體， 程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布 [10] ，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 壓電分析