【正文】 0 圖 42 導(dǎo)入 ANSYS 零件修改界面 ......................................................... 錯誤 !未定義書簽。 圖 419 施加對流系數(shù) ............................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 圖 421 施加與第一齒輪接觸面上節(jié)點對流系數(shù) .................................. 錯誤 !未定義書簽。齒輪傳動具有傳動功率范圍大、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比準(zhǔn)確、使用壽命長、工作可靠性好等優(yōu)點。由于齒輪傳動在機(jī)械行業(yè)乃至整個國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用，齒輪被公認(rèn)為工業(yè)和工業(yè)化的象征。齒輪傳動在運(yùn)行工況中常常會發(fā)生輪齒折斷、齒面磨損、齒面點蝕、齒面膠合、塑性變形等很多問題。據(jù)統(tǒng)計，在各類機(jī)械故障中齒輪失效 就占總數(shù)的 60%以上，其中齒面損壞和齒根斷裂均為齒輪失效的主要原因。 為此人們對齒輪的齒面接觸應(yīng)力進(jìn)行了大量的研究與分析。由美國 ANSYS 公司開發(fā)的計算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)有限 元分析軟件ANSYS 現(xiàn)已成為世界頂端的有限元分析軟件。目前廣泛應(yīng)用于土木、水利水電、汽車、機(jī)械、采礦、核工業(yè)、船舶、日用家電等領(lǐng)域、 ANSYS 軟件作為一款通用有限元分析軟件，其強(qiáng)大的建模、網(wǎng)格劃分和分析功能極大的方便了用戶對產(chǎn)品進(jìn)行分析。 隨著計算機(jī)技術(shù)的日益普及和 FEA 技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 人們已經(jīng)廣泛采用計算機(jī)有限元仿真分析來作為齒輪強(qiáng)度校核的方法。齒輪設(shè)計的主要內(nèi)容之一是輪齒。 由于 ANSYS 不便于進(jìn)行復(fù)雜曲面建模，本文利用三維造型軟件 UG/NX 構(gòu)建了一對精確嚙合的齒輪副，然后在 ANSYS 中讀取此模型。通過以上簡化，減小了實際模型的大小，大大減少了 計算量。 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 2 第 1 章 概述 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著計算技術(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)[2]。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，國外不少研究人員如 Wilcox、戶部、 Chang、 BIBEL等都進(jìn)行過這方面的研究工作．因此，在用有限元方法對直齒輪的齒根應(yīng)力進(jìn)行分析時，都把它簡化為力學(xué)中的平面應(yīng)變問題 [3]。陶澤光等建立了單級齒輪減速器的有限元模型，用 IDEAS 軟件研究了該系統(tǒng)的固有特性。 CHOY 等人提出了一個分析方法來模擬齒輪轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中的振動，該方法把轉(zhuǎn)子 軸承 齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性同齒輪箱結(jié)構(gòu)的振動相耦合，用有限元模型表示齒輪箱結(jié)構(gòu)，使用 NASTRAN 軟件求解模態(tài)參數(shù)。劉輝等研究了斜齒輪體的固有振動特性并歸納了齒輪本體和輪齒的主要振型類型，分析了齒輪本體結(jié)構(gòu)對固有頻率的影響以及相鄰齒對輪齒模態(tài)特性的影響，所得結(jié)論為動態(tài)設(shè)計提供參考。 國際上，齒輪傳動裝置正沿著小型化高速化低噪音高可靠性方向發(fā)展，為提高齒輪傳動的承載能力，硬齒面齒輪設(shè)計制造技術(shù)，日益受到普遍的關(guān)注，以提高齒輪齒面硬度縮小傳動裝置 的尺寸 [7]。 本文研究主要內(nèi)容 本課題是設(shè)計型課題，設(shè)計的主要內(nèi)容是基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析。非圓齒輪機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)變傳動比傳動 ,非圓齒輪與某些構(gòu)組合可以實現(xiàn)許多特殊規(guī)律的運(yùn)動等。安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 因此，本課題的關(guān)鍵在于齒輪模型的精確建立以及 ANSYS 軟件的扎實掌握。 本文研究意義 齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動部件，被廣泛的應(yīng)用在各個生產(chǎn)領(lǐng)域中，經(jīng)常用在重要的場合；傳動齒輪在工作過程中受到周期性載荷力的作用，有可能在標(biāo)定轉(zhuǎn)速內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的共振，動應(yīng)力急劇增加，致使齒輪過早出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞。齒輪主要失效特征是彎曲應(yīng)力作用造成輪齒的變形和折斷、接觸應(yīng)力作用而造成的表面疲勞剝落和摩擦作用而造成的磨損 [11]。同時，模態(tài)分析也是其它動力學(xué)分析如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析和譜分析的基礎(chǔ)。 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 4 第二章 有限元法與 ANSYS 有限元分析方法概述 有限元法是一種離 散化的數(shù)值解法 ,是用于求解各類實際工程問題的方法。 有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。 20 世紀(jì) 60 年代初首 次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法 =Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。 有限元分析的基本思想 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復(fù)雜的問題后再求解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所替代。 有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個方面，一是離散，二 是分片插值。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點變量的代數(shù)方程組，以利于用計算機(jī)求解。首先，差分法是對計算對象的微分方程和邊界條件進(jìn)行離散，而有限元法是對計算對象的物理模型本身進(jìn)行離散，即使該物理模型的微分方程尚 不能列出，但離散過程依然能夠進(jìn)行。 變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實函數(shù)，當(dāng)真實函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，這種處理是合理的。同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不 同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。 分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計算也是在單元內(nèi)完成。對于整個求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當(dāng)單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實際的精確解。它兼顧了兩 者的優(yōu)點，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實用性。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、碰撞模擬等特殊問題的研究 。 前處理模塊 前處理模塊提供了 一個強(qiáng)大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。 分析計算模塊 分析計算模塊包括結(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）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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。軟件提供了 200 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。雖然 ANSYS 本身具有建模功能，但是其建模能力非常有限，只能處理一些相對簡單的模型。所以利用 ANSYS 與 UG/NX 軟件之間的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就可以充分發(fā)揮 UG/NX 軟件強(qiáng)大的造型能力與 ANSYS 軟件強(qiáng)大的分析功能 [15]。一個漸開線輪齒，其截面曲線是由齒頂圓、漸開線、齒根過渡曲線和齒根圓四部分組成。 表 31 斜齒輪的基本參數(shù) 直齒輪參數(shù)化建模 （ 1） 創(chuàng)建凸輪輪廓曲線生成 選擇工具欄上【工具】 /【表達(dá)式】，在彈出的【表達(dá)式】對話框中輸入表達(dá)式和變量，如圖 31 所示。這樣由參數(shù)方程確定的凸輪曲線就繪制出來了。 單擊曲線工具條中的直線命令，在坐標(biāo)原點和分度圓與漸開線的交點之間創(chuàng)建一條直線 1，選擇【編輯】 /【變換】，在彈出的類型對話框選擇直線 1，單擊【確定】按鈕，在彈出的變換對話框中，選擇繞點旋轉(zhuǎn)，以坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)點，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為360/33/4，如圖 33，即齒輪的 4 倍等分，旋轉(zhuǎn)方向為順時針，得到直線 2。 刪除直線 直線 2 以及分度圓，然后作漸開線的延長線至齒根圓，然后單擊編輯曲線工具條中的修剪曲線圖標(biāo) 。 圖 34 復(fù)制漸開線 圖 35 生成齒槽輪廓線 在特征工具條中選擇 ，輸入數(shù)值得到圓柱體，如圖 36 所示。 選擇【插入】 /【關(guān)聯(lián)復(fù)制】 /【實例特征】，在彈出的對話框中選擇圓形陣列，選擇單齒槽為陣列特征，設(shè)置實例參數(shù)為數(shù)量 33，角度 360/33，設(shè)置回轉(zhuǎn)軸為點和方向，在接下來的對話框中選擇 ZC 軸為矢量方向，以及構(gòu)造圓周陣列參數(shù)點（ 0,0,0），單擊【確定】按鈕，系統(tǒng)生成如圖 37 所示結(jié)果。 選擇【插入】 /【曲線】 /【螺旋線】，在彈出的【螺旋線】對話框中設(shè)置參數(shù)，如圖38 所 示 ， 頂 圓 直 徑 為 276mm ， 頂 圓 螺 旋 角 設(shè) 為 度 ， 則 螺 距 為) n( ??? ，旋轉(zhuǎn)方式為右旋。選擇【編輯】/【變換】，選擇輪槽特征，以坐標(biāo)原點為基點，旋轉(zhuǎn)復(fù)制 33 個輪槽特征，角度為 360/33.。 以同樣的方式建立左旋的斜齒輪如圖 310 所示。在【開始】菜單中選擇【裝配】，打開裝配應(yīng)用模塊，開始裝配。根據(jù)兩齒輪中心距公式，齒輪安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 1 與齒輪 2 的中心距為 M*（ Z1+Z2） =264mm，給兩斜齒輪基準(zhǔn)軸添加一個距離配合，選擇【距離】 進(jìn)行裝配，如圖 311 所示。右擊齒輪 1，選擇【配對】，在彈出的配對對話框中選擇進(jìn)行【對齊】裝配，分別使兩齒輪端面和兩基準(zhǔn)面對齊，如圖 312 所示。 圖 311 裝配約束 圖 312 圓柱斜齒輪裝配模 型建立 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 10 第 4 章 ANSYS 圓柱斜齒輪熱分析 圓斜齒輪導(dǎo)入 ANSYS 界面 啟動 打開圓柱斜齒輪，選擇【文件】 /【導(dǎo)出】 /IGES 格式，在導(dǎo)出選項中選擇顯示部件，與此同時在定義導(dǎo)出文件的位置，本人選擇 D:\，單擊確定按鈕，如圖 41 所示。如圖 42所示。 圖 41 UG 導(dǎo)出文件界面 圖 42 導(dǎo)入 ANSYS 零件修改界面 圖 43 斜齒輪實體模型導(dǎo)入 ANSYS （ 1） 定義 工作文件名 Utility MenuFileChange Jobname,在隨后的對話框中輸入工作文件名為“ Circular 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 Helical Gear” ，單擊 OK 按鈕。 （ 3） 設(shè)置長度單位 在命令提示行中輸入“ /UNITS,BIN” ,確定。 圖 44 定義單元類型 定義材料屬性 （ 1） 設(shè)置材料彈性模量和泊松比 代小龍：基于 ANSYS 非圓斜齒輪嚙合熱特性分析 12 從主菜單中選擇 PreprocessorMaterial PropsMaterial Models，如下圖所示依次雙擊StructuralLinearElasticIsotropic。如下圖 45 所示。 圖 45 定義材料彈性模量和泊松比 （ 2） 定義摩擦系數(shù) 依次雙擊 StructuralFriction Coefficient，打開材料摩擦系數(shù)對話框。完畢點擊【 OK】，并退出材料屬性設(shè)置對話框。 圖 47 定義材料密度 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 4）輸入導(dǎo)熱系數(shù) Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，雙擊出現(xiàn)對話框中的“ Thermal” ,雙擊“ Conductivity” ,雙擊“ Isotropic” ,出現(xiàn)一個“ Conductivity for Material Number 1” ,對話框，連續(xù)單擊“ Add Temperature”四次，出現(xiàn)如圖 48 所示的對話框，然后在“ Te mp er a tur e”后面的五個輸入欄中輸入 5 個溫度值，在“ KXX” 中后面的五個輸入欄中輸入相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)值。 圖 48 輸入導(dǎo)熱系數(shù) （ 5）定義比熱容 在“ Define Material Model Behavior”對話框右面的輸入欄中，雙擊“ Specific heat” ，出現(xiàn)一個 Specific heat for Material Number 1 話框，連續(xù)單擊 “ Add Temperature”四次，然后在“ Temperature”后面輸入五個溫度值，在“ C”后面的五個輸入欄中輸入與溫度對應(yīng)的比熱系數(shù)，單擊【 OK】 按鈕，結(jié)果如圖 49 所示。單擊“ MaterialEXIT”。在【 Element edge length】文本框中輸入“ 5” ，單擊【 OK】，結(jié)果如圖 411 所示