基于ABAQUS的减速器齿轮的模态分析
作者：张振峰王筱王帅徐洪涛
摘要：为了研究齿轮固有频率的影响因素，改善齿轮的动态特性，利用有限元软件ABAQUS 和振动理论对齿轮进行模态分析，结果表明：第1~6阶，齿轮的振型主要是弯曲振动和扭转振动，在同阶的情况下，弹性模量越大，齿轮的固有频率越大，腹板的倒角越大，齿轮的固有频率越大，为齿轮动态优化设计提供可靠的参考依据。
减速器是原动机和工作机之间的一个独立闭式传动装置，用来降低转速和传递转矩，在工作过程中，减速器中的齿轮可能会由于机械振动而发出噪音，这样可能会降低齿轮的啮合精度和传递效率，从而影响减速器的使用寿命。
模态分析可以确定零件的固有频率和振型，使设计师在设计零件的时候，尽量使系统的工作频率和固有频率偏差较大，以防止共振，从而减少振动和噪音。模态分析的最终目标是识别系统的模态参数，为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据，是结构动态设计及故障诊断的重要方法。
本文利用有限元软件ABAQUS，对减速器中的齿轮进行模态分析，来确定不同阶数下齿轮的固有频率和振型，通过选择不同的材料以及齿轮的腹板倒角，来分析齿轮固有频率的变化趋势，从而为齿轮大的结构优化提供参考依据，避免齿轮在工作时候发生共振，从而减少噪音。
一、有限元模态分析理论
对于一般的多自由度结构系统而言，运动都可以由其自由振动的模态来合成。有限元的模态分析就是建立模态模型进行数值分析的过程。由于结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，所以模态分析的实质就是求解具有限个自由度的无阻尼及无载荷状态下得运动方程的模态适量。系统的无阻尼多自由度的自由振动系统方程为：
式中质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]均为nxn阶方阵，位移列阵{x}为nx1阶列阵。把(1)式写成位移向量的形式为：
应用线性变换式{x}=[u]{y}，可以对集合位置坐标{x}表示的耦合系统微分方程组解耦。因此，振型在坐标变换和解耦系统中发挥着重要的作用。为了得到振型的矩阵[u]，必须求得系统的特征值和特征向量，即系统的固有频率和振型向量。为此，假定系统的振动是由频率的简谐振动组成，设{X}为{x}的位移幅值和振幅列阵或振幅向量，Φ为初相位，则系统运动方程是的形式为：
对其求导得：
把(4)式代入(1)式，消去因子，整理的系统的特征矩阵方程为：
为满足上面的矩阵方程，必须使括号中的矩阵行列式等于零，这就是特征方程式即(6)式
从特征方程杰出特征值，特征值的平方根就是系统的固有频率。将系统的固有频率代入(5)式，所求的幅值矩阵{X}即为振兴向量{u}。
二、建立有限元模型
1.齿轮建模
根据减速器的输出功率要求，得齿轮的参数为：齿数z=26，模数m=3，齿形角a=20°，齿厚d =20，齿轮的其他参数通过计算和工具书获得，利用软件Pro/ENGINEER建模，并把齿轮模型导入到ABAQUS中，进行模态分析。
2.齿轮边界约束
对齿轮进行模态分析的主要目的是获得齿轮不同阶下的固有频率和振型，因而不需要对齿轮进行加载，只需要对其自由度进行约束，根据齿轮的工作条件，对齿轮进行约束，选取齿轮的内表面作为约束对象，对齿轮的内圆柱面和键槽面x，y和z方向的平动位移进行约束，由于模态分析低阶频率对于动的影响远大于高阶频率，故取齿轮模态分析前6阶的固有频率和振型。
图1 齿轮模型
3.齿轮网格划分
对齿轮进行网格划分，最大整体尺寸为2，几何次数选择线性摄动，选取单元类型为四面体单元C3D4。
三、有限元结果分析
1.材料的影响
选择不同的材料，进而材料的弹性模量和泊松比及密度不同，本文中选择的材料分别为：灰口铸铁、球墨铸铁、铸钢、碳钢和合金钢，材料的弹性模量依次逐渐变大。通过仿真结果查看不同材料对于齿轮固有频率的影响，因为低阶频率对于结构的振动影响较大，所以仅取了仿真结果的前6阶模态分析结果，图2是齿轮的振型图以及最大位移振动变化，由于不同材料的振型图较多，故只选取材料为合金钢的齿轮的2、4和6阶振型图作为示意。
利用振型图可以很直观地分析齿轮的振动形态，并发现齿轮振动的薄弱环节，进而可以对齿轮进行优化，从而避免齿轮发生共振，减少齿轮工作时的噪音。在低阶情况下，通过分析不同材料齿轮的前6阶振型图，可以发现齿轮的振型主要为扭转振动和弯曲振动，齿轮的阶数越高，则振动的位移越大，齿轮振动越剧烈，噪音越大。表1是不同材料的齿轮在不同阶下的固有频率，并将数据绘制成曲线图，如图3所示。
图3 不同材料与固有频率的关系
曲线图3表明：在阶数相同的情况下，齿轮的固有频率和材料是存在一定关系，材料的弹性模量越大，则在该阶下材料的固有频率越大，所以在同阶数的工作频率下，齿轮发生共振的概率越小，从而减小齿轮振动的噪音，增大了传递的效率，延长了齿轮的使用寿命，为齿轮的动态优化设计提供可靠理论基础。
2.结构的影响
下面来研究结构对于齿轮固有频率的影响：齿轮的材料为合金钢，结构的改变主要是通过对齿轮的腹板进行倒角，通过倒角大小的不同来分析齿轮固有频率的变化规律。该仿真中腹板倒角的范围为C1~C5，由于振型图较多，下图4是选取齿轮的倒角C5时的2、4和6阶振型图作为示意，通过振型图可以看出齿轮的振型主要是扭转振动和弯曲振动，振型图反映了齿轮的振动特性和薄弱环节，可以为设计者提供参考依据。
改变齿轮腹板结构，通过改变齿轮模型的倒角大小，来查看不同的齿轮结构对于齿轮的固有频率的影响，在齿轮铸造时候，可以作为腹板倒角的参考依据，选择合理的倒角大小，进一步减轻齿轮的振动，减少齿轮振动时候的噪音，也可以作为齿轮优化的参考依据。
从曲线图5表明：在阶数相同的情况下，齿轮腹板的倒角越大，则齿轮的固有频率越大。随着阶数的增加，齿轮的固有频率会呈现递增的趋势，这一结论特点可以作为齿轮参数优化的依据。在进行齿轮腹板倒角的时候，可以适当选择倒角大小，避免齿轮发生共振，从而减少振动的噪音，提高齿轮的传递效率。
上述曲线和图形表明：
(1)齿轮的固有频率与齿轮的材料有关，在相同阶数的情况下，齿轮材料的弹性模量越大，则齿轮的固有频率越大;
(2)齿轮的固有频率和齿轮的结构有关，在相同阶数的情况下，齿轮的腹板倒角越大，则齿轮的固有频率越大;
(3)齿轮的低阶振型主要为扭转振动和弯曲振动，阶数越高，振动位移越大，振型图可以看出齿轮的薄弱环节，从而可以进行齿轮优化，为设计者提供参考依据。
四、结束语
模态分析可以用来确定齿轮的固有频率和振型，从而为齿轮设计和深入研究提供可靠的理论依据，通过振型图可以直观地发现齿轮振动的薄弱环节，从而为齿轮的设计和维护提供可靠地依据。
通过ABAQUS进行模态仿真分析，既可以为齿轮设计者提供可靠的、有意义的参考依据，也可以对齿轮的结构参数进行优化，提高齿轮在传递过程中的精度和传递效率。(end)
基于ANSYS 的齿轮模态分析 齿轮传动是机械传动中最重要的传动部件，被广泛的应用在各个生产领域中，经常用在重要的场合；传动齿轮在工作过程中受到周期性载荷力的作用，有可能在标定转速内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使齿轮过早出现扭转疲劳和弯曲疲劳。静力学计算不能完全满足设计要求，因此有必要对齿轮进行模态分析，研究其振动特性，得到固有频率和主振型(自由振动特性)。同时，模态分析也是其它动力学分析如谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。 本文运用UG 对齿轮建模并用有限元软件ANSYS 对齿轮进行模态分析，为齿轮动态设计提供了有效的方法。 1.模态分析简介 由弹性力学有限元法，可得齿轮系统的运动微分方程为： []{}[]{}[]{}{()}M X C X K X F t ++= （1） 式中，[]M ，[]C ，[]K 分别为齿轮质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，{}X 、{}X 、{}X 分别为齿轮振动加速度向量、速度向量和位移向量，12{}{,, ,}T n X x x x =；{()}F t 为齿轮所受外界激振力向量，{}12{()},,T n F t f f f =。若无外力作用，即{}{()}0F t =，则得 到系统的自由振动方程。在求齿轮自由振动的频率和振型即求齿轮的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不大，因此，可以作为无阻尼自由振动问题来处理 [2]。无阻尼项自由振动的运动方程为： []{}[]{}0M X K X += （2） 如果令 {}{}sin()X t φωφ=+ 则有 2{}{}sin()X t ωφωφ=+ 代入运动方程，可得 2([][]){}0i i K M ωφ-= （3） 式中i ω为第I 阶模态的固有频率，i φ为第I 阶振型，1,2, ,i n =。 2.齿轮建模 在ANSYS 中直接建模有一定的难度，考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据接口，可以方便的转化，而UG 软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现突出，可以通过参数控制模型尺寸的变化，因此本文采用通过UG 软件对齿轮进行参数化建模，保存为IGES 格式，然后将模型导入到ANSYS 软件中的方法。设有模数m=2.5mm ，齿数z=20，压力角β=20°，齿宽b=14mm ，孔径为￠20mm 的标准齿轮模型。如图1
基于ABAQUS的有限元分析和应用 第一章绪论 1.有限元分析包括下列步骤： 2.为了将试验数据转换为输入文件，分析者必须清楚在程序中所应用的和由实验人员提供的材料数据的应力和应变的度量。 3.ABAQUS建模需注意以下内容： 4.对于许多包含过程仿真的大变形问题和破坏分析，选择合适的网格描述是非常重要的，需要认识网格畸变的影响，在选择网格时必须牢牢记住不同类型网格描述的优点。 第二章ABAQUS基础 1.一个分析模型至少要包含如下的信息：离散化的几何形体、单元截面属性、材料数据、载荷和边界条件、分析类型和输出要求。 ①离散化的几何形体：模型中所有的单元和节点的集合称为网格。 ②载荷和边界条件： 2.功能模块： （1）Assembly（装配）：一个ABAQUS模型只能包含一个装配件。 （2）Interaction（相互作用）：相互作用与分析步有关，这意味着用户必须规定相互作用是在哪些分析步中起作用。 （3）Load（载荷）：载荷和边界条件与分析步有关，这意味着用户指定载荷和边界条件是在哪些分析步中起作用。 （4）Job（作业）：多个模型和运算可以同时被提交并进行监控。 3.量纲系统 ABAQUS没有固定的量纲系统，所有的输入数据必须指定一致性的量纲系统，常用的一致性量纲系统如下：
4.建模要点 （1）创建部件：设定新部件的大致尺寸的原则必须是与最终模型的最大尺寸同一量级。（2）用户应当总是以一定的时间间隔保存模型数据（例如，在每次切换功能模块时）。（3）定义装配： 在模型视区左下角的三向坐标系标出了观察模型的方位。在视区中的第2个三向坐标系标出了坐标原点和整体坐标系的方向（X，Y和Z轴）。 （4）设置分析过程： （5）在模型上施加边界条件和荷载： 用户必须指定载荷和边界条件是在哪个或哪些分析步中起作用。 所有指定在初始步中的力学边界条件必须赋值为零，该条件是在ABAQUS/CAE中自动强加的。 在许多情况下，需要的约束方向并不一定与整体坐标方向对齐，此时用户可定义一个局部坐标系以施加边界条件。 在ABAQUS中，术语载荷通常代表从初始状态开始引起结构响应发生变化的各种因素，包括：集中力、压力、非零边界条件、体力、温度（与材料热膨胀同时定义）。
基于ABAQUS 的直齿圆柱齿轮模态分析 余西伟 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072） 摘要:齿轮是最常用的零部件之一，起到了传递扭矩的作用。为了研究齿轮固有频率和振型的影响因素，改善齿轮的动态特性，本文运用SolidWorks 三维建模软件建立齿轮建模，并运用ABAQUS 和振动分析理论对模型进行模态分析，用Lanczos 算法提取固有频率，得到齿轮的模态和振型，为优化齿轮的结构设计提供支持。 关键词:模态分析;ABAQUS;固有频率;振型 Modal Analysis of Spur Gear Based on ABAQUS (School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract: T he gear is one of the most common parts, transferring the torque effect. In order to research the factors affecting the gear’s natural frequency and vibration mode and improving the dynamic characteristics.The gear model established by 3D model software SolidWorks was carried on modal analysis by the software ABAQUS and the vibration analysis theory. The modal and vibration model was extracted by using Lanczos algorithm ,providing support for the optimization design of gear. Key words: modal analysis; ABAQUS; natural frequency; vibration mode 0引言 齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。在工作过程中，齿轮可能会由于机械振动而产生噪声,这样会降低齿轮的啮合精度和传递效率，从而影响齿轮的寿命。 本文以ABAQUS 有限元分析软件为平台, 对齿轮进行模态分析, 提取了前6阶固有频率与振型, 通过不同材料和腹板倒角的齿轮选择，对固有频率与振型变化趋势的分析, 为齿轮的结构设计和优化及提供了设计依据, 同时为进一步的动力学分析奠定了基础。 1 模态分析的基本理论 模态是机械结构的固有振动特性, 指结构在各频率下的动态响应, 一个系统的动态响应是其若干阶模态振型的综合。对于一般的多自由度系统来说，运动都可以由其振动的模态来合成，有限元的模态分析就是建立模型模态进行数值分析的过程，其运动微分方程是 )}({)}(]{[)}(]{[)}(]{[t F t x K t x C t x M =++? ? ? （1） 其中 {M}--质量矩阵；
一、有限单元法的基本原理 有限单元法（The Finite Element Method）简称有限元（FEM），它是利用电子计算机进行的一种数值分析方法。它在工程技术领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数值结果。 有限元方法的基本思路是：化整为零，积零为整。即应用有限元法求解任意连续体时，应把连续的求解区域分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个结点，假设一个简单的函数（称插值函数）近似地表示其位移分布规律，再利用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元结点的力和位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程组，从而求解结点的位移分量. 进而利用插值函数确定单元集合体上的场函数。由位移求出应变, 由应变求出应力 二、ABAQUS有限元分析过程 有限元分析过程可以分为以下几个阶段 1.建模阶段: 建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型――有限元模型，从而为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，即划分网格。但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。
2.计算阶段:计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。 由于这一步运算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成 3.后处理阶段: 它的任务是对计算输出的结果惊醒必要的处理， 并按一定方式显示或打印出来，以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估，并作为相应的改进或优化，这是惊醒结构有限元分析的目的所在。 下列的功能模块在ABAQUS/CAE操作整个过程中常常见到，这个表简明地描述了建立模型过程中要调用的每个功能模块。 “Part（部件） 用户在Part模块里生成单个部件，可以直接在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成部件的几何形状，也可以从其它的图形软件输入部件。 Property（特性） 截面（Section）的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，用户生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。 Assembly（装配件） 所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。用户可使用Assembly模块生成部件的副本（instance），并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。 一个ABAQUS模型只包含一个装配件。
Abaqus分析报告 （齿轮轴） 名称：Abaqus齿轮轴 姓名： 班级： 学号： 指导教师：
一、简介 所分析齿轮轴来自一种齿轮泵，通过用abaqus软件对齿轮轴进行有限元分析和优化。齿轮轴装配结构图如图1，分析图1中较长的齿轮轴。 图1.齿轮轴装配结构图 二、模型建立与分析 通过part、property、Assembly、step、Load、Mesh、Job等步骤建立齿轮轴模型，并对其进行分析。 1.part 针对该齿轮轴，拟定使用可变型的3D实体单元，挤压成型方式。 2.材料属性 材料为钢材，弹性模量210Gpa，泊松比0.3。
3.截面属性 截面类型定义为solid，homogeneous。 4.组装 组装时选择dependent方式。 5.建立分析步 本例用通用分析中的静态通用分析（Static，General）。 6.施加边界条件与载荷 对于齿轮轴，因为采用静力学分析，考虑到前端盖、轴套约束，而且根据理论，对受力部分和轴径突变的部分进行重点分析。 边界条件：分别在三个轴径突变处采用固定约束，如图2。 载荷：在Abaqus中约束类型为pressure，载荷类型为均布载荷,分别施加到齿轮接触面和键槽面，根据实际平衡情况，两力所产生的绕轴线的力矩方向相反，大小按比例分配。 均布载荷比计算： 矩形键槽数据： 长度：8mm、宽度：5mm、高度：3mm、键槽所在轴半径：7mm 键槽压力面积：S1 = 8x3=24mm2 平均受力半径：R1=6.5mm 齿轮数据：= 齿轮分度圆半径：R2 =14.7mm、压力角：20°、 单个齿轮受力面积：S2 ≈72mm2 通过理论计算分析，S1xR1xP1=S2xR2xP2，其中，P1为键槽均布载荷
支架的线性静力学分析实例：建模和分析计算 在此实例中读者将学习ABAQUS/CAE的以下功能。 1) Sketch功能模块:导人CAD二维图形，绘制线段、圆弧和倒角，添加尺寸，修改平面图，输出平面图。 2) Part功能模块:通过拉伸来创建几何部件，通过切割和倒角未定义几何形状。 3) Property功能模块:定义材料和截面属性。 4) Mesh功能模块:布置种子，分割实体和面，选择单元形状、单元类型、网格划分 技术和算法，生成网格，检验网格质量，通过分割来定义承受载荷的面。 5) Assembly功能模块:创建非独立实体。 6) Step功能模块:创建分析步，设置时间增量步和场变量输出结果。 7) Interaction功能模块:定义分布榈合约束(distributing coupling constraint)。 8) Load功能模块:定义幅值，在不同的分析步中分别施加面载荷和随时间变化的集中力，定义边界条件。 9) Job功能模块:创建分析作业，设置分析作业的参数，提交和运行分析作业，监控运行状态。 10) Visualization功能模块:后处理的各种常用功能。 结构静力学分析（static analysis）是有限元法的基本应用领域，适用于求解惯性及阻尼对结构响应不显著的问题。主要用来分析由于稳态外载荷引起的位移，应力和应变等。本章的静力学分析实例按照ABAQUS工程分析的流程对支架进行线性静力学分析，通过实例基本掌握了分析的流程，同时了解接触的定义。 1.问题描述 所示的支架，一端牢固地焊接在一个大型结构上，支架的圆孔中穿过一个相对较软的杆件，圆孔和杆件用螺纹连接。材料的弹性模量E=2100000MPa,泊松比为0.3。
本科学生毕业设计 （论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1.2 选题背景 磨煤机是将煤块破碎并磨成煤粉的机械，它是煤粉炉的重要辅助设备。煤在磨煤机中被磨制成煤粉，主要是通过压碎、击碎和研碎三种方式进行。磨煤机经常运行于高速、重载以及恶劣环境等条件下，齿轮及齿轮箱作为机械设备中必不可少的连接和传递动力部件由于加工工艺复杂，装配精度要求高，又常常在高速度、重载荷的环境下连续工作，出现故障的概率较高。而齿轮的失效又是诱发机械故障的重要因素。齿轮箱在机械设备中是核心部件，出现故障后将会导致整个机械设备的失效。轻则降低生产质量或导致停产，重则会造成事故。据统计传动机械中齿轮引发的故障占 80%左右，旋转机械中约为 10%左右。齿轮箱的故障和失效轻则带来经济损失，重则造成人员伤亡。据日本新日铁会社的统计，在机器的总故障次数中，齿轮故障约占 10.3%左右，而在齿轮箱的失效零件中，齿轮失效占 60％左右，轴承和轴故障约为 30%左右。对齿轮箱进行状态检测与故障诊断中采用这些先进的技术，能够节省大量的人力、物力、财力，提高设备的利用率，可及时发现故障隐患，提高故障诊断效率，降低因为齿轮箱故障而引起的灾难，因此对电厂磨煤机齿轮箱进行状态监测与故障诊断具有重大的意义。 1.2 齿轮箱故障诊断的发展现状 齿轮箱振动与噪声的研究发展比较早，但是将齿轮的振动与噪声运用到齿轮箱的故障诊断中却是在20世纪60年代中期，美国的Buckingham和德国的Niemann，英国学者H.Optiz仔细研究了齿轮振动与噪声的原理，指出其是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数。随后一些简单的齿轮箱故障诊断技术开始出现，这些技术手段主要是通过测量齿轮箱工作过程中一些简单的振动参数，如有效值、振动峰值、均方根值等来对齿轮箱进行直接分析。70年代末到80年代中期，利用频谱来分析齿轮箱的故障取得了重大成果，其中B．Randall和James I．Taylor等人作
齿轮模态分析 1.改变工作名：定义文件目录 2.定义单元类型 （1）从主菜单Main Menu 中选择：Preferences->structual->OK，再Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete 命令，将打开单元类型Element Type 对话框 （2）单击Add ，打开单元类型库Library of Element Types 对话框，在左边列表框中选择实体类型Solid ，在右边列表框中选择单元类型Brick 8node 45 3.定义材料属性 （1）从主菜单Main Menu 中选择：Preprocessor->Material Props->Material Models->Structural->Linear->Elastic->Isotropic输入2e11和0.3。
（2）Preprocessor->Material Props->Material Models->Structural->Density输入7800 . 4、建立关键点 Main Menu->Preprocessor->Modeling->create->Keypoints->In Active Plane 依次输入1（21.87e-3，0，0），2（22.82e-3,1.13e-3,0）, 3（24.02e-3,1.47e-3,0），4（24.62e-3,1.73e-3,0）, 5（25.22e-3,2.08e-3,0），6（25.82e-3,2.4e-3,0）， 7(26.92e-3,3.23e-3,0), 8(27.11e-3,0,0). 5、建立曲线 Main Menu->Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Splines->Spline thru KPs,依次拾取关键点2、3、4、5、6、7 6、镜像曲线Preprocessor->Modeling->Refiect->Lines,拾取曲线单击ok，选择X-Z plane Y，单击ok 7、生成圆弧 Main Menu->Preprocessor->Modeling->Create->Lines->Arcs->Through 3 KPs，先拾取2、10、1再拾取7、11、9
ABAQUS有限元接触分析的基本概念2009-11-24 00:06:28 作者：jiangnanxue 来源：智造网—助力中国制造业创新—https://www.doczj.com/doc/4914540663.html, CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1 点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis - cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surface discretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slave surface)上的每个节点与该节点在主面(master surface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
基于ABAQUS的减速器齿轮的模态分析 作者：张振峰王筱王帅徐洪涛 摘要：为了研究齿轮固有频率的影响因素，改善齿轮的动态特性，利用有限元软件ABAQUS 和振动理论对齿轮进行模态分析，结果表明：第1~6阶，齿轮的振型主要是弯曲振动和扭转振动，在同阶的情况下，弹性模量越大，齿轮的固有频率越大，腹板的倒角越大，齿轮的固有频率越大，为齿轮动态优化设计提供可靠的参考依据。 减速器是原动机和工作机之间的一个独立闭式传动装置，用来降低转速和传递转矩，在工作过程中，减速器中的齿轮可能会由于机械振动而发出噪音，这样可能会降低齿轮的啮合精度和传递效率，从而影响减速器的使用寿命。 模态分析可以确定零件的固有频率和振型，使设计师在设计零件的时候，尽量使系统的工作频率和固有频率偏差较大，以防止共振，从而减少振动和噪音。模态分析的最终目标是识别系统的模态参数，为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据，是结构动态设计及故障诊断的重要方法。 本文利用有限元软件ABAQUS，对减速器中的齿轮进行模态分析，来确定不同阶数下齿轮的固有频率和振型，通过选择不同的材料以及齿轮的腹板倒角，来分析齿轮固有频率的变化趋势，从而为齿轮大的结构优化提供参考依据，避免齿轮在工作时候发生共振，从而减少噪音。 一、有限元模态分析理论 对于一般的多自由度结构系统而言，运动都可以由其自由振动的模态来合成。有限元的模态分析就是建立模态模型进行数值分析的过程。由于结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，所以模态分析的实质就是求解具有限个自由度的无阻尼及无载荷状态下得运动方程的模态适量。系统的无阻尼多自由度的自由振动系统方程为： 式中质量矩阵[M]和刚度矩阵[K]均为nxn阶方阵，位移列阵{x}为nx1阶列阵。把(1)式写成位移向量的形式为：
西京学院 毕业设计（论文） } 题目:齿轮系统的有限元分析 系（院）: 机电工程系 专业: 数控技术 班级: 数控0902 姓名: 方荣稳 ! 学号: 05 指导老师: 李少海 日期: 2011年11月
— 摘要 齿轮啮合过程作为一种接触行为, 因涉及接触状态的改变而成 为一个复杂的非线性问题。传统的齿轮理论分析是建立在弹性力学基础上的, 对于齿轮的接触强度计算均以两平行圆柱体对压的赫兹公 式为基础,在计算过程中存在许多假设,不能准确反映齿轮啮合过程中的应力以及应变分布与变化。相对于理论分析,有限元法则具有直观、准确、快速方便等优点。本论文对齿轮系统同利用有限元法进行实验分析实现对齿轮的有限元模态分析。 利用有限元理论和数值分析方法, 对齿轮系统在加载和离心力 共同作用下的变形和强度进行了分析, 研究了离心力对该系统的影 响和动态响应。利用三维啮合弹塑性接触有限元方法对齿轮进行了接触强度分析, 并基于热弹耦合进行了轮齿的修形计算, 得到轮齿的理想修形曲线, 为齿轮动态设计提供了一种非常有效的方法。 将齿轮系统划分为传统系统和结构系统两部分, 通过轴承把两 者耦合起来。采用有限元方法, 建立了实际单级齿轮减速器的有限元动力学模型, 在工作站上用I- DEA S 软件研究了该齿轮系统的固有特性, 所得结果既后映了系统的动力学性能, 又为齿轮系统的动态响应计算和分析奠定了基础。 关键词：齿轮；有限元法; 模态分析；接触; 修形；
、 目录 第一章绪论 (3) 有限元的概念 (3) 概述 (4) 第二章齿轮系统有限元模型的建立 (6) 第三章I2DEA S 固有特性的计算方法 (8) 第四章齿轮系统有限元模态分析结果 (10) 结论 (12) 致谢 (14) 参考文献 (15) ^
Abaqus有限元分析中的沙漏效应[转] 2011-09-21 17:34:27| 分类：有限元 | 标签： |字号大中小订阅 1. 沙漏的定义 沙漏hourglassing一般出现在采用缩减积分单元的情况下： 比如一阶四边形缩减积分单元，该单元有四个节点“o”，但只有一个积 分点“*”。而且该积分点位于单元中心位置，此时如果单元受弯或者受剪，则必然会发生变形，如下图a所示。 关于沙漏问题，建议看看abaqus的帮助文档，感觉讲的非常好，由浅入深，把深奥的东西讲的很容易理解。 沙漏的产生是一种数值问题，单元自身存在的一种数值问题，举个例子，对于单积分点线性单元，单元受力变形没有产生应变能--也叫0能量模式，在 这种情况下，单元没有刚度，所以不能抵抗变形，不合理，所以必须避免这种情况的出现，需要加以控制，既然没有刚度，就要施加虚拟的刚度以限制沙漏 模式的扩展---人为加的沙漏刚度就是这么来的。 关于沙漏现象的判别，也就是出现0能模式的方法最简单的是察看单元变 形情况，就像刚才所说的单点积分单元，如果单元变成交替出现的梯形形状， 如果多个这样的单元叠加起来，是不是象我们windows中的沙漏图标呢？ ABAQUS中沙漏的控制： *SECTION CONTROLS：指定截面控制 警告：对于沙漏控制，使用大于默认值会产生额外的刚度响应，甚至当值 太大时有时导致不稳定。默认沙漏控制参数下出现沙漏问题表明网格太粗糙， 因此，更好的解决办法是细化网格而不是施加更大的沙漏控制。 该选项用来为减缩积分单元选择非默认的沙漏控制方法，和standard中的修正的四面体或三角形单元或缩放沙漏控制的默认系数；在explicit中，也 为8节点块体单元选择非默认的运动方程：为实体和壳选择二阶方程、为实体 单元激活扭曲控制、缩放线性和二次体积粘度、设置当单元破损时是否删除他们、或为上述完全破损的单元指定一标量退化参数。等 必需参数： NAME：名字 可选参数： DISTORTION CONTROL：只用于explicit分析。=YES激活约束防止负体积 单元出现或其他可压缩材料的过度变形，这对超弹材料是默认的。DISTORTION
1.梁C 的主要参数： 其中：梁长3000mm ，高为406mm ，上下部保护层厚度为38mm ，纵筋端部保护层厚度为25mm 抗压强度：35.1MPa 抗拉强度：2.721MPa 受拉钢筋为2Y16，受压钢筋为2Y9.5，屈服强度均为440MPa 箍筋：Y7@102，屈服强度为596MPa 2.混凝土及钢筋的本构关系 1、运用陈光明老师的论文（Chen et al. 2011）来确定混凝土的本构关系： 受压强度： 其中C a E ==28020，c f ρσ'=，0.002ρε= 2、受压强度与开裂位移的相互关系：
其中123.0, 6.93c c == 3、损伤因子： 其中c h = e=10（选取网格为10mm ） 4、钢筋取理想弹塑性 5、名义应力应变和真实应力及对数应变的转换： ln (1)ln(1)true nom nom Pl true nom E σσεσε ε=+=+- 6、混凝土最终输入的本构关系如下： compressive behavior tensile behavior tension damage yield stress inelastic strain yield stress displacement parameter displacement 21.50274036 2.721 25.56359281 2.72247E-05 2.683556882 0.0003129 0.18766492 0.0003129 28.88477336 8.85105E-05 2.646628319 0.0006258 0.31902609 0.0006258 31.43501884 0.000177278 2.610210508 0.0009387 0.41606933 0.0009387 33.24951537 0.000292271 2.574299562 0.0012516 0.49065237 0.0012516 34.40787673 0.000430648 2.538891515 0.0015645 0.54973463 0.0015645 35.01203181 0.000588772 2.503982327 0.0018774 0.5976698 0.0018774 35.16872106 0.000762833 2.46956789 0.0021903 0.63732097 0.0021903 34.97805548 0.000949259 2.435644029 0.0025032 0.67064827 0.0025032 34.52749204 0.001144928 2.402206512 0.0028161 0.69903885 0.0028161 33.88973649 0.001347245 2.369251048 0.003129 0.72350194 0.003129 33.17350898 0.001541185 2.336773294 0.0034419 0.74478941 0.0034419 32.38173508 0.001737792 2.30476886 0.0037548 0.76347284 0.0037548 31.54367693 30.68161799 0.001936023 0.002135082 2.27323331 2.242162167 0.0040677 0.0043806 0.77999451 0.79470205 0.0040677 0.0043806
第５期（总第１７４期） ２０１２年１０月机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５ Ｏｃｔ． 文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－００４７－０ ２基于ＡＮＳＹＳ的谐波齿轮圆柱形柔轮模态分析 何雅娟 （陕西理工学院机械工程学院，陕西 汉中 ７２３００３ ）摘要：谐波齿轮传动的主要失效形式是柔轮的疲劳断裂，谐波齿轮传动柔轮的强度问题一直是谐波齿轮设计者的一个课题。采用基于接触问题的有限元法建立数值模型并进行模态分析，得到柔轮的前１０阶固有频率。通过分析柔轮的固有频率范围，为谐波齿轮的改进提供参考。关键词：柔轮；有限元；模态分析 中图分类号：ＴＨ１３２．４１∶ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１２－０７－２８；修回日期：２０１２－０８－１ ０作者简介：何雅娟（１９８３－） ，女，陕西汉中人，助教，硕士，主要研究方向为机械装备的设计与制造。０ 引言 谐波齿轮传动是一种性能优良的机械传动，它具有精度高、回差小、传动比大、体积小、噪声低等一系列优点。为避免工作时出现共振，本文对谐波齿轮传动中对动态性能起主要影响的关键元件———柔轮进行了模态分析研究。 １ 圆柱形柔轮有限元模型的建立１．１ 三维模型的建立 图１为圆柱形柔轮结构简图。由于ＡＮＳＹＳ中不能建立曲线方程，而Ｐｒｏ／Ｅ软件可以很方便地建立各种曲线方程， 再加上其参数化设计能简单灵活地修改设计参数，因此，选择Ｐｒｏ／Ｅ完成建模，具体三维建模参数见表１。 图１ 圆柱形柔轮结构简图 在建立柔轮的有限元模型时，忽略了齿圈圆角、齿 廓圆角、法兰倒角等局部细节问题，从而简化了有限元模型，使计算更加方便，生成的圆柱形柔轮三维模型如图２所示。 １．２ 单元设置和网格划分 所选柔轮材料为３５ＣｒＭｎＳｉＡ，其弹性模量Ｅ＝１９６ＧＰａ，泊松比μ＝０．２８。 表１ 柔轮三维建模参数 参数名称模型参数值 模数ｍ（ｍｍ） ０．５齿数ｚ４２９压力角α（°）２０分度圆半径Ｒ（ｍｍ） １０６．６２５基圆半径Ｒ０（ ｍｍ）１００．１９齿顶高系数ｈａ ＊１顶隙系数ｃ＊０．２５齿根圆半径Ｒｆ（ｍｍ）１０６齿顶圆半径Ｒａ（ｍｍ）１０７．１２５筒体长度Ｌ（ｍｍ）１８０光滑筒壁厚δ１（ｍｍ）３．６齿圈宽度ｂｒ（ｍｍ）４０齿圈部分壁厚δ（ｍｍ） ６ 图２ 圆柱形柔轮三维模型 实体单元选择可用于三维模型的Ｓｏｌｉｄ１８５。每个节点有３个自由度，即沿Ｘ、Ｙ、Ｚ方向的移动自由度。该单元能用于模拟塑性、应力钢化、蠕变、大变形、大应变等。
课程设计任务书
目录 第一章课程设计的内容简要说明---------------------------------------3第二章实体建模步骤-------------------------------------------------4 2.1打开CATIA，打开机械零部件设计界面---------------------------4 2.2使用宏创建齿轮举例------------------------------------------4 2.3具体绘制每个轴上的齿轮--------------------------------------4 2.4绘制轴及轴承------------------------------------------------8 2.5 组装零件----------------------------------------------------9第三章模型倒入导出过程--------------------------------------------10第四章对模型模态分析的过程----------------------------------------11 4.1定义单元类型------------------------------------------------11 4.2定义材料属性------------------------------------------------11 4.3 划分网格----------------------------------------------------11 4.4加载求解----------------------------------------------------13 4.5定义求解类型和选项------------------------------------------13第五章结果分析及问题讨论------------------------------------------14 5.1列出固有频率------------------------------------------------14 5.2查看特征振型------------------------------------------------14 5.3结论--------------------------------------------------------17第六章参考文献----------------------------------------------------18
学号：08507019 2011届本科生毕业论文（设计）题目：基于ANSYS的齿轮模态分析 学院(系)：机械与电子工程学院 专业年级：机制072班 学生姓名：何旭栋 指导教师：杨创创 合作指导教师： 完成日期： 2011-06- I
目录 第一章绪论 .......................................................................- 1 - 1.1课题的研究背景和意义..........................................................- 1 - 1.2 齿轮弯曲应力研究现状 .........................................................- 1 - 1.3 齿面接触应力研究现状 .........................................................- 2 - 1.4 齿轮固有特性研究现状 .........................................................- 2 - 1.5 论文主要研究内容..............................................................- 3 -第二章齿轮三维实体建模.........................................................- 3 - 2.1 三维建模软件的选择 ...........................................................- 3 - 2.2 齿轮参数化建模的基本过程.....................................................- 4 - 2.3 利用pro/e对齿轮进行装配.....................................................- 5 -第三章齿轮弯曲应力有限元分析..................................................- 6 - 3.1齿轮弯曲强度理论及其计算......................................................- 6 - 3.1.1 齿轮弯曲强度理论 .........................................................- 6 - 3.1.2 齿形系数的计算方法.......................................................- 7 - 3.2 齿轮弯曲应力的有限元分析.....................................................- 8 - 3.2.1选择材料及网格单元划分....................................................- 8 - 3.2.2约束条件和施加载荷........................................................- 8 - 3.2.3计算求解及后处理..........................................................- 9 - 3.3 齿轮弯曲应力的结果对比......................................................- 12 -第四章齿轮接触应力有限元分析.................................................- 13 - 4.1经典接触力学方法.............................................................- 13 - 4.2 接触分析有限元法思想 ........................................................- 14 - 4.3 ANSYS有限元软件的接触分析...................................................- 16 - 4.3.1 ANSYS的接触类型与接触方式 ..............................................- 16 - 4.3.2 ANSYS的接触算法.........................................................- 16 - 4.4 齿轮有限元接触分析 ..........................................................- 17 - 4.4.1将Pro/E 模型导入ANSYS 软件中 ...........................................- 17 - 4.4.2 定义单元属性和网格划分..................................................- 17 - 4.4.3 定义接触对...............................................................- 18 - 4.4.4 约束条件和施加载荷......................................................- 18 - 4.4.5 定义求解和载荷步选项....................................................- 19 - 4.4.6 计算求解及后处理 ........................................................- 19 - 4.5有限元分析结果与赫兹公式计算结果比较........................................- 21 -第五章齿轮模态的有限元分析 ...................................................- 22 - 5.1 模态分析的必要性.............................................................- 22 - 5.2 齿轮的固有振动分析 ..........................................................- 22 - 5.3 模态分析理论基础.............................................................- 22 - 5.4 模态分析简介.................................................................- 24 - 5.4.1模态提取方法.............................................................- 24 - 5.4.2模态分析的步骤...........................................................- 25 - I