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基于Pro/E和ANSYS的渐开线齿轮接触应力分析

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  • 发布时间:2014-09-17
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本文介绍了我们最常用的计算机辅助设计和有限元分析在齿轮设计中的应用 。PRO/E功能强大并具有CAE拈,但在PRO/E的功能上比起专业的CAE软件却略显不足。ANSYS作为-种通用的大型CAE软件,有赖于其强大的分析功能和建模拈,但是,在处理特定的复杂形状时,其建模功能将难以担此重任。因此,通行的解决方案是先建模后分析,即在PRO/E中建模,然后在ANSYS中进行分析。

1 运用Pr0/E进行齿轮设计用Pro/E软件,参数化设计渐开线直齿圆柱齿轮的过程为:首先参数设置单个渐开线直齿圆柱齿轮,其基本参数有系数、齿数、压力角、齿轮模数、齿顶高度、齿轮变位系数、齿宽幅、中心距、径向上的间隙系数、实际中心距等。然后通过建立参数之间相互关系创建齿轮基本圆,用Pro/E建立曲线,输入渐开线参数方程进而绘制渐开线齿形,参数化功能绘制齿根曲线,实体建模工具当中的拉伸命令,修改齿形齿根过渡曲线,同时设定拉伸距离为齿宽,再选择单个渐开线齿轮实体进行圆周阵列 (阵列数目为齿数 ),执行拉伸命令,对轴孔做拉伸操作,定义类型移除材料,并穿透,完成最终齿轮造型。

2 运用有限元分析法计算齿轮的接触应力利用有限元分析软件,可以对齿轮的接触应力、齿根应力等进行分析,也可以对齿轮进行模态分析。下面通过使用ANSYS软件对参数化建模生成的齿轮的接触应力进行有限元分析 ,介绍有限元分析法在齿轮设计中的应用。

2.1 向ANSYS中导入实体模型由于ANSYS软件自带的建模功能不强,所以在ANSYS中进行齿轮的建模和装配,再保存为ICES格式导人到ANSYS中。首先,利用上述的参数化建模方法,在Pro/E中绘制-个m2mm、z20、b12mm的渐开线直齿圆柱齿轮。再生成另-个同样的齿轮,然后对两个这样的齿轮添加约束,使得两个齿轮的分度圆相切,并使两个啮合齿的齿面接触对齐,完成齿轮的啮合装配,并保存为-组。

将Pro/E的prt格式先转换为iges格式,然后导到ANSYS环境下。

2.2 定义单元类型和材料属性首先,在程序主菜单按以下流程操作Main Menu:Pr processor>Element Type>Add>Edit>De1ete等命令,打开Element Type0单元类型对话框,选择SOLID 45单元,这里的SOLID 45单元用于三维实体结构模型,这种单元有8个节点,每个节点上有3个自由度。

定义好单元类型后,还需要定义材料的弹性模量EX”、密度和泊松比 PRXY”等属性。我们可以展开材料属性的树型结构图,打开材料的弹性模量EX和泊松tPRXY的定义对话框,输人相对的应数值,再依次单击Structural>Density选项,键人材料密度对话框,进而输入相应数值。

2.3 实体模型的网格划分从主菜单中操作/###'Main Menu:Preprocessor>Meshing>Mesh Tool,进入Mesh Tool网格工具对话框,勾选Smart Size命令~智能网格划分精度调整为4,点击Mesh按钮,打开Mesh Volumes对话框,单击Pick Al选项,ANSYS就会自动进行网格划分,网格划分好后,进行接触对的创建。选择键2k.Preprocessor>Create>Contact Pair>Contact>Wizard.呼出添加接触对向导对话框 ,根据接触对向导的提示,选择目标面和接触面,创建好齿轮的接触对。

2.4 添加约束和载荷现用在节点上施加切向力的方法实现转动效果,以期代替转矩使齿轮转动。

要完成这-操作分为以下两个操作步骤:第-步是将总体坐标系 (笛卡儿坐标系)转换为圆柱坐标系,同时将所有的节点传换到圆柱坐标系的体系之下。第二步是选择小齿轮中心孔处的所有节点施加约束和切向力,利用同样的方法对大齿轮施加约束力量,则完成啮合齿轮系统的边界条件设置。

首先选择菜单栏workP1ane:Change Active CS to>Gl0balCylindrical,把当前坐标系转换为圆柱坐标系,然后2013年第12期 (总第255期) 中l圈高舞I竣才l c Hf A c 0 h tc H E N T E R I;E sNO.12.2013(CumulativetyNO.255)超高碳钢的压焊顶锻技术探微及应用高守稳(中原油田采油-厂,河南 濮阳 457000)摘要:文章介绍了超高碳钢 (UHCS)的发展及国内外研究现状,对其应用领域进行了展望。通过实验,确定了主要工艺参数的最佳组合。测定了焊接接头的硬度、抗拉强度,并利用图像分析仪分析了焊缝及其热影响区的微 观组 织。

关键词:超高碳钢;顶锻压焊;顶锻变形;热模拟中图分类号:TG316 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)12-0070-041 概述超高碳钢的含碳量在1.0%~2.1% (质量分数,下同)之间,超过了传统高碳钢的含碳量。它的处理工艺与传统高碳钢不同,该钢在奥氏体化加热时需形变处理以获得较多的位错亚结构,完全奥氏体化淬火后经高温回火获得弥散球状渗碳体和铁素体基体。由于有大量的超细碳化物,在二次加热过程中碳化物将阻碍奥氏体晶粒长大,获得超细奥氏体晶粒。细小的奥氏体晶粒在不同的冷却条件下可选择Main Menu: Preprocessor>M0deling>Create>Move/Modify>Rotate Node CS>To Active CS,选取齿轮上的所有节点,把这些节点转换到圆柱坐标系下,选取左侧齿轮的中心孔面,添加z-3、X0、Y0的约束,表示齿轮沿x轴固定,沿顺时针旋转3度位移。选取右侧齿轮的中心孔面,添加z0、X0、Y0的约束,选择右侧齿轮的中心孔面,使All DOF0,为右侧齿轮添加固定约束。

2.5 求解并查看分析结果约束和载荷添加完成后 ,选择M ain M eiu:Solution>Solve>Current LS进行求解 ,由于是非线性求解 ,求解完成后显示出了求解中的收敛过程曲线。

求解 完成后 ,还可 以选择Main Menu:GeneralPostproc>Pl0t Rsults>Contour Plot>Nadal Solu>Nadalsolution>Stress>von Mises stress,可以查看齿轮的应力云图。

从云图中,我们可以看到齿轮在啮合时的应力分布情况,还可以看出最大的应力发生在两啮合齿的接触面附近。由此可见,使用有限元分析法,可以快速计算出齿轮啮合过程中的接触应力,省去了复杂的计算过程。还能比较直观地了解应力的分布,找出存在最大的应力区域,为我们的分析与设计提供了便利。

为了取得啮合的过程 (即-个啮合周期内,离散点的接触应力),笔者认为,应遵照上述的求解步骤多次求解。主动轮按顺时针方向转动-个角度从动轮按逆时针方向转动相应的角度,在这个过程节点中利用载荷分配系70获得所需的超细基体组织,如空冷可获得超细珠光体,淬火可获得超细马氏体。

由于采用传统方法制备出的超高碳钢具有极高的脆性,其工业化应用在过去-直被人们所忽视。然而近30年来的研究结果表明,当采用适当制备工艺使该材料获得超细铁素体 (0.4-2.0 m)基体上分布着超细粒状渗碳体(0.2-1.0 In)组织,具有该组织的超高碳钢称为超细晶超高碳钢。该材料不仅在中、高温下具有高变形速率下的数。通过这个过程,我们就能实现对实际接触啮合位置的分析结果,进而针对单齿啮合过程的仿真演算,就能得到从齿根到齿顶整个啮合过程周期内的接触应力变化的规律。

3 结语利用CAD软件进行齿轮的参数化建模,省去了齿轮设计过程中枯燥重复的步骤,缩短了齿轮设计的周期,大大提高了设计的效率,同时降低了设计劳动的强度。利用ANSYS对齿轮接触应力进行有限元分析,可以省去复杂的计算过程,快速地得到可靠的应力数值 ,还可以更加直观地查看各种分析结果。0

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