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
1．课程设计的内容简要说明
1.1使用CATIA建立变速器齿轮系统主要零部件的三维实体模型并装配。
1.2将轴的实体模型导入到ANSYS中，进行划分网格、添加材料属性等前处理。
1.3确定轴模态分析的工况及算法，分析轴的振动特性
2．实体建模步骤
2.1打开CATIA，打开机械零部件设计界面，如2.1图。
图2.1 catia开始界面
2.2在工具栏中选择宏进入生成圆柱齿轮的宏，并运行。如2.2图。
图2.2生成齿轮
2.3具体绘制每个轴上的齿轮
利用宏绘制齿轮，在齿轮参数中输入齿轮模数，齿轮宽，齿数，螺旋角以及旋向。按照上表齿轮参数建造各档位齿轮，并保存，零件图。
各齿轮参数：
（1）第一轴上的斜齿轮。如2.3图。
（2）第二轴常啮合齿轮，如2.4图。
图2.4啮合齿轮
（3）第二轴二档齿轮，如2.5图。
图2.5二档齿轮（4）第一轴二档齿轮，如2.6图。
图2.6二档齿轮
2.4 先建圆，然后拉伸成轴，并在轴上建轴承。（1）绘制第一轴，如2.7图。
图2.7一轴（2）绘制第二轴，如2.8图。
图2.8二轴
（3）绘制输出轴，如2.9图。
图2.9输出轴
2.5组装零件
将建好的所有零件图导入装配图，并正确定位得到变速器的整体传动图。如 2.10图。
图2.10装配图
3．模型导入导出过程
用CATIA软件将需要保存的文件保存成STP类型文件格式，将保存的STP类型文件用软件SOILWORK转换成X_T类型的文件，最后用ANSYS将X_T类型文件打开。这样就完成了模型的导入导出过程。
打开方法：打开ansys软件，file---improt---para，然后找到之前保存的t.x格式文件。
4.对模型模态分析的过程。
-----轴的模态分析
4.1 定义单元类型
考虑到轴的各项指标，我将轴的材料定义为solid brick 8node 45。
4.2定义材料属性
进行模态分析需要输入杨氏模量、泊松比和材料密度等参数。杨氏模量EX=2e 1 1，泊松比PRXY=0.3材料密度:DENS=7.8e-6，如4.1图。
图4.1设置PRXY和EX
4.3 划分网格
由于计算齿轮处于自由状态时的模态值，所以对齿轮不施加外载荷。选择ANSYS中的模态分析模块，运行有限元程序。ANSYS提供了7种模态提取方法，本文采用Block Lanczos法。划分好的有限元模型如图4.2,4.3,4.4所示。
图4.2二轴网格划分
图4.3三轴网格划分
图4.4倒档轴网格划分
4.4加载求解
分别对轴的两端进行节点全约束，然后利用软件ansys进行求解。步骤如下: 加载：Ansys main mean----solution----define
loads----apply----structural----displacement----on nodes
4.5定义求解类型和选项
定义分析类型。选择Modal(模态分析)选项，在Model Analysis对话框。选择Block Lanczos作为模态提取方法，输入提取的模态数目10。对模型求解计算。
对齿轮模态分析进行条件设置后，选择Solve current LS命令，ANSYS开始
求解计算。
5. 后处理
5.1列出固有频率
单击菜单Main Menu→General PostProc→Results Summary，弹出的窗口显示轴的前5阶固有频率。如5.1图。
图5.1运算结果举例
5.2查看特征振型
单击菜单Main Menu→General PostProc→Read Results→First Set，读入第1阶振型的数据。单击菜单M a i n Menu→General PostProc→Plot Results →Deformed Shape，在弹出的对话框中选择Def+undef edge选项，即可显示第一阶振型，如下图所示。单击菜单M a i n Menu→General PostProc→Plot Results →Contour Plot→Nodal Solu命令出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution→DOF solution→displacement vector sum，单击OK按钮，即可显示相对位移等值线，如图所示。在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution→Stress→von Mises stress，单击OK按钮，即可显示相对等效应应力等值线，如图所示。要查看下一阶的振型，单击菜单Main Menu→General PostProc→Read Results→Next Set，读入高一阶振型的数据。然后再重复前述一阶振型显示步骤。
（1）二轴分析结果图，如5.2图。
图5.2二轴分析（2）三轴分析结果图如5.3，5.4图。
图5.3三轴分析
（3）倒档轴分析图，如5.5,5.6图。
图5.5倒档轴分析
图5.6倒档轴分析
5.3 结论
(1)当把轴承处的约束看作刚性约束对低速轴进行模态分析时，第1阶的固有频率远远高于其工作转速的频率，符合设计要求。那么就更有潜力允许较高工作转速，从而可以提高加速器的工作效率。
(2)当把轴承处的约束看作弹性约束对轴进行模态分析时，其基本阶的固有频率明显降低，即其临界转速降低，也满足工作要求。
(3)通过对各个轴进行模型简化，建立有限元模型，并对该轴进行模态分析，获得其固有频率及振型，从而计算出该轴的临界转速，为进一步的谐响应分析提供必要的依据。
(4)因为轴工作在重载的工况之下，所以要先分析其是否满足固有振动特性的
要求。
6.参考文献
【1】叶友东周哲波.基于ANSYS直齿圆柱齿轮有限元模态分析[J].机械传动，2006，30(5).
【2】汤宏.基于ANSYS有限元软件的斜齿轮振动模态分析[J].中国科技信息，2009(23).
【3】唐勇张志强.渐开线齿轮模态分析[J]．机械与电子，2006(8).
【4】袁卫华.推土机终传动齿轮的模态分析[J]. 工程机械，2008，39(6). 【5】刘相新孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M]. 北京：科学出版社，2006.【6】张乐乐苏树强谭南林.Ansys辅助分析应用基础教程上机指导.北京清华大学出版社，2007.12
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；
模态试验分析系统 系统简介 模态试验与分析系统是指通过数据采集系统获得激励（和响应）数据，经动态信号分析与模态参数识别，确定机械结构的固有频率、阻尼比、振型和模态参与因子等揭示结构动态特性的参数。模态实验广泛应用于振动排故、状态检测、故障诊断和结构健康监测，以及动态响应预报、结构动态修改、有限元模型修正、动态分析与设计、振动控制等。 系统特点 ★快速几何建模 1、集成交互式几何建模模块，实现节点、连线、多边形、3D对象的交互式选择、移动、旋转、放大、删除、修改等功能 2、可定义总体坐标和局部坐标，具有笛卡尔、柱、以及球等三种坐标系统，各种坐标系统间转换方便 3、可实现线段、直线、矩形、梯形、扇面、椭圆、圆台、球体等规则3D对象的快速建模，还可自
定义三维单元库 4、除了交互式几何建模，模型几何信息也可通过配置信息界面直接进行修改、添加、删除等操作 ★快速、易用的信号分析功能 1、向导式的信号处理参数设置，实现趋势去除、时域抽取、快速傅立叶变换（FFT）、加窗函数等功能 2、 FFT长度：基2整数，根据实测数据自由可选；重叠：0%～83%，可从下拉列表中选择；平均次数：用户自定义；窗函数：矩形窗、汉窗、海明窗、平顶窗、指数窗、力窗、指数窗等；分析频率范围：采样频率的1/2或1/2.56 3、功率谱估计：自谱、互谱、功率谱密度矩阵、半功率谱密度矩阵 4、单输入多输出（SIMO）的频率响应函数（FRF）估计：H1、H2估计 5、多输入多输出（MIMO）的频率响应函数估计及相干函数估计 6、多线程支持的信号处理过程，并可采用不同设置参数重复进行 ★灵活的二维\三维图形显示、控制和输出 1、提供专用的二维曲线与三维图形控制面板，以及鼠标、快捷键、菜单等多种控制方式 2、多种曲线表达方式，诸如频率响应函数的幅值（线性、对数、dB坐标）、相位、展开相位、实部、虚部、奈奎斯特图等 3、方便灵活的二维曲线显示与控制，网格、图例等元素可显示或隐藏，并能提供相应曲线的完善测量信息（测量节点、方向，是否原点测量等） 4、缩放（具有不同缩放状态的记忆能力）、选段、寻峰寻谷等实用功能 5、方便灵活的三维图形显示与控制，节点号、输入/输出标记、坐标轴等元素可显示或隐藏，并能轻易实现平移、缩放、旋转等功能 6、提供三维图形的俯仰、左右、前后等各向视图，能实现结构的框架线显示或着色面渲染 7、二维曲线和三维图形的各元素颜色均可自定义 8、基于OpenGL的三维图形动画控制，实现播放、暂停、帧播放、幅度控制、速度控制等功能 9、各种二维曲线和三维图形均可复制到操作系统剪贴板中，亦可一键存储为BMP或JPG文件 10、振型动画和ODS可直接输出成AVI文件 ★先进、准确、可靠的模态分析技术 1、EMA : 基于输入（激振力）、输出（响应）测量的试验模态分析技术 （1）单输入/多输出（SIMO）的全局模态识别技术，可识别得到全局模态参数 （2）多点激振的多输入/多输出（MIMO）模态识别技术，具有识别高密度或重频模态的能力，是大型、复杂结构试验模态分析的理想方法 （3）单参考点和多参考点锤击法（MRIT）模态识别技术。 2、OMA: 环境激励下仅有输出（响应）可测量的运行模态分析技术，可以对桥梁、建筑、汽车、飞机、旋转机械等机械结构在运行状态进行试验与分析，无须人工激振，只需测量响应 （1）不仅简单可行，同时还可获得结构在真实运行状态下的动态特性，且天然具备多参考点特性，具有解耦密集模态的能力 （2）基于全功率谱密度矩阵的窄带模态参数识别方法（频域空间域分解法，FSDD），方便易用，结
模态试验及分析的基本步骤 1.动态数据的采集及响应函数分析 首先应选取适当的激励方式。激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。激励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。目前主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。然后进行数据采集。对于单输入单输出方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。在采集信号数据以后，还要在时域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。 2.建立结构数学模型 根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。 3.参数识别 按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。激励方式不同，相应的识别参数方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，识别的结果也不会理想。 4.振型动画 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振动直观的想象，所以必须采用振型动画的办法，将放大的振型叠加到原始的几何形状上。
模态分析与振动测试技术 固体力学 S0902015 李鹏飞
模态分析与振动测试技术 模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。 一、单自由度模态分析 单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。 二、多自由度系统模态分析 对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。 多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。 我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。 设所研究的系统为N个自由度的定常系统。其运动微分方程为： （2—1） ++= M X CX KX F ?）阶式中M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（N N 矩阵。并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）。 N?阶矩阵。即 X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为1
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
试验模态分析的两种方法 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构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。 试验模态分析主要有以下两种方法,OROS模态分析软件MODEL 2 完全具备了这两种常用的模态方 法。 锤击法模态测试 用于满足锤击法结构模态试验，以简明、直观的方法测量和处理输入力和响应数据，并显示结果。提供两种锤击方法：固定敲击点移动响应点和固定响应点移动敲击点。用力锤来激励结构，同时进行加速度和力信号的采集和处理，实时得到结构的传递函数矩阵。能够方便地设置测量参数，如触发量级、测量带宽和加窗类型，同时对最优的设置提供建议指导。 激振器法模态测试 主要是通过分析仪输出信号源来控制激振器，激励被测试件，输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法(MIMO)。 1）几何建模 结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点DOF自动加到通道标示；建立几何模型，以3维方式显示测量和分析结果。结构模型可以作为单个部件的装配，及采用不同的坐标系（直角、圆柱、球体坐标系），要求除点的定义外，还可定义线和面，真实的显示试验结构。结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点自由度自动加到通道标示。
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构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。二、各模态分析方法的总结
（一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计算机内存，因此在当前小型二通道或四通道傅立叶分析仪中，都把这种方法做成内置选项。然而随着计算机的发展，内存不断扩大，计算速度越来越快，在大多数实际应用中，单自由度方法已经让位给更加复杂的多自由度方法。 1、峰值检测 峰值检测是一种单自由度方法，它是频域中的模态模型为根据对系统极点进行局部估计(固有频率和阻尼)。峰值检测方法基于这样的事实：在固有频率附近，频响函数通过自己的极值，此时其实部为零(同相部分最
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：
模态试验及分析的基本步骤 1 1.动态数据的采集及响应函数分析 2 首先应选取适当的激励方式。激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。激3 励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。目前主要有单输入单输出、单输入多4 输出和多输入多输出三种方法。然后进行数据采集。对于单输入单输出方法要求同时5 高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得6 振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要7 求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。在采集信号数据以后，还要在时8 域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相9 关分析等。 10 2.建立结构数学模型 11 根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依 12 据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建13 模和时域建模。根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。 14 3.参数识别 15 按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。激励方式不同，相应的识别参16 数方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多17 数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得18 良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量19 数据不可靠，识别的结果也不会理想。 20 4.振型动画 21 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应22 各阶模态的振型。但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振23
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) ^
模态测试与分析基本概念 1.模态假设：线性假设、时不变假设、互易性假设、可观测性假设 线性假设：结构的动态特性是线性的，就是说任何输入组合引起的输出等于各自输出的组合，其动力学特性可以用一组线性二阶微分方程来描述。 时不变性假设：结构的动态特性不随时间变化，因而微分方程的系数是与时间无关的常数。 可观测性假设：这意味着用以确定我们所关心的系统动态特性所需要的全部数据都是可以测量的。 互易性假设：结构应该遵从Maxwell互易性原理，即在q点输入所引起的p点响应，等于在p点的相同输入所引起的q点响应。 2.EMA、OMA、ODS 试验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA) 力锤激励EMA技术 激振器激励EMA技术 工作模态分析(Operational Modal Analysis, OMA) 工作变形模态(Operational Deflection Shape, ODS) 3.SISO、SIMO、MIMO SISO：设置1个响应测点，力锤激励遍历所有测点，也称为SRIT SIMO：设置若干响应测点，力锤激励遍历所有测点，也称为MRIT；用一个激振器固定在某测点处激励结构，测量所有测量自由度的响应，经FFT快速测量计算FRF MIMO：用多个激振器激励结构，测量所有测量自由度的响应，经FFT快速测量计算MIMO-FRFs，输入能量均匀，数据一致性好，能分离密集和重根模态，在大型复杂或轴对称结构模态试验尤为重要 4.模态分析基本步骤 建立模型：确定测量自由度、生成几何、确定各类参数：BW，参考点、触发等 测量：FRF，（时域数据可选） 参数估计：曲线拟合、参数提取 验证：MAC、MOV、MP等
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
模态试验分析方法简介 1 试验模态分析的基本步骤 试验模态分析一般分为如下的四个步骤： 第一步：建立测试系统 所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。 第二步：测量被测系统的响应数据 这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到模态试验的结果。在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过输血手段将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需要时间历程就可以了。 第三步：进行模态参数估计 即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。 第四步：模态模型验证 它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。 以上的每个步骤都是试验模态中必不可少的组成部分，其具体的介绍如下： 2、建立测试系统 建立测试系统是模态试验的前期准备过程，它主要包括：被测对象的理论分析和计算，测试方案的确定（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），按照方案要求安装和调试，测试系统的校准等工作。 接下来对激振方式，传感器的选择和数据采集仪器的选择的具体介绍如下： 2.1激振方式的确定： 激振方式有很多种，主要分为天然振源激振和人工振源激振。天然振源包括地震，地脉动，风振，海浪等；其中地脉动常被使用于大型结构的激励，其特点是频带很宽，包含了各种频率的成分，但是随机性很大，采样时间要求较长，人工振源包括起振机，激振器，地震模拟台，车辆振动，爆破，张拉释放，机
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