基于显式动力学的某齿轮轴冲击应力分析

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发动机和飞机的起动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统等主要附件都是由发动机转子通过附件传动装置带动的。附件传动装置是发动机的关键构件。在整个飞行包线范围内，附件传动结构必须可靠地工作，保证发动机和飞机所有附件的转速、转向和所需功率符合设计要求。-般来说，涡喷、涡扇发动机附件所需的功率约为发动机高压涡轮功率的0.2%～0.5 n]。机载附件的增加和发动机推力的提高，要求附件传动所需的功率越大，传动齿轮的负荷也越大，设计越困难。发动机正常工作时转速较高，附件传动扭矩较校发动机起动和急剧加速或减速时，发电机、燃油泵等附件转子的惯性使传动扭矩变得很大，很容易损伤传动齿轮 ]。宋迎东等口 针对某型涡喷发动机附件传动机匣的支板在台架试车过程中多次出现裂纹的问题，通过有限元分析得到了该机匣的应力分布，排除了静应力引起故障的原因。

汪玉等[4 基于有限元法建立的舰船动力轴系冲击动力学模型，计算了在不同冲击强度和动力轴系参数条件下整个轴系的冲击性能，提出动力轴系在冲击作用下会出现较大的位移，在舰船动力轴系的设计中必须对轴系的冲击特性引起足够的重视，以增强整船的可靠性和生存能力。计晨等[5 利用有限元方法对柴油机进行垂向冲击响应时域分析，通过主要部件的应力响应总结了抗冲击薄弱环节。唐进元等 进行了线外啮合冲击动态仿真分析，提出在冲击载荷下，齿根最大应力大于ISO标准静强度理论值，最大应力位置比ISO标准确定的最危险截面位置偏高，冲击载荷峰值相同时，冲击时间越短，产生的动应力越大。

针对在恒定转速下对某航空发动机附件机匣齿轮轴施加冲击扭矩的测试中出现齿轮轴在齿轮根部发生折断的现象，笔者以附件机匣内轴向尺寸较大的齿轮轴为研究对象，分析齿轮轴发生折断的原因。

为了验证齿轮轴的强度，采用有限元方法对受冲击载荷的齿轮轴进行冲击载荷下的动态冲击应力分析。利用WORKBENCH与LS-DYNA软件 对齿轮轴在冲击扭矩下考虑旋转离心应力的静应力和动应力进行了计算分析，并根据分析结果对齿轮轴失效部位进行了参数化建模，以齿轮轴质量最小为优化目标，利用APDL进行了失效部位的结构优化。改进设计后的齿轮轴强度满足其设计功能要求，保证了齿轮轴的强度有足够的安全裕度。

· 国家高技术研究发展计划(八六三”计划)资助项 目(2O12AA040104)收稿日期：2012-10-12；修改稿收到日期：2012-12-30276 振 动、测 试 与 诊 断 第 33卷最大动应力 VA2均小于材料需用应力的 5O (即Mis)为约束条件，在VA1与 VA2均小于Mis时跳出循环，作为优化终止的判据。

参数初始化IU 0.004 JJOLL0.003 Mis565e6/prep7参数化几何模型网格划分施加载荷 约束 初始转速edload，add，rbox，0，I，time，vledload，add，rbmx，0，2，time，mledload，add，rbmx，0，03，time，m2有限元模型/S0LU EDOU al1产生K文件EDWRITE，LSDYNA，chongi，k，”示动力学求---厂-I 蓟 丽 I珉 Mis，LT，VAI，THENEU RRo.O01KKlJJ1ENDIFIF，Mis，LT，VA2，THENLLLL10.001GGKK1ENDIFIF，GG，EQ，JJ，THENGO，：TIAOCHUENDIFENDDO图9 优化设计流程图10为优化后齿轮轴导气孔部位和齿轮根部的动应力分布。

图1O 冲击应力分布齿轮轴优化部位的最大冲击应力在420 MPa左右，均小于材料的屈服应力1 130 MPa的50 ，结构强度符合设计使用要求。

4 结 论1)在转速为27 136 r/min时，考虑旋转离心应力的齿轮轴动态平衡静应力与准静态应力比较，幅值增大50 ～70 。

2)在额定转速和特定冲击扭矩下，动态冲击应力约为静应力的1～2倍，因此在设计过程中应考虑冲击载荷产生的动应力对齿轮轴的强度影响。

3)通过建立齿轮轴局部结构参数化模型，对其进行结构优化，可以提高计算速度，优化结果满足齿轮轴功能要求。