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课程名称：结构分析的计算机方法
论文题目：齿轮轴3的静力学有限元分析学生学号：
学生姓名：
任课教师：
学位类别：学硕
目录
1. HyperMesh软件介绍..................... 错误!未定义书签。
HyperMesh简介 ....................... 错误!未定义书签。
HyperMesh的优势...................... 错误!未定义书签。
2. 齿轮轴3的理论分析.................... 错误!未定义书签。
齿轮轴3的平面简图................... 错误!未定义书签。
齿轮轴3的受力分析................... 错误!未定义书签。
3. 齿轮轴3的三维建模.................... 错误!未定义书签。
插入斜齿轮........................... 错误!未定义书签。
绘制轴的三维模型..................... 错误!未定义书签。
4.齿轮轴3的有限元分析................... 错误!未定义书签。
几何模型的编辑....................... 错误!未定义书签。
网格划分............................. 错误!未定义书签。
材料属性和单元属性的创建............. 错误!未定义书签。
施加约束和载荷....................... 错误!未定义书签。
求解计算和结果分析................... 错误!未定义书签。
1. HyperMesh软件介绍
HyperMesh简介
HyperMesh 是一个高质量高效率的有限元前处理器，它提供了高度交互的可视化环境帮助用户建立产品的有限元模型。其开放的架构提供了最广泛的CAD 、CAE 和CFD 软件接口，并且支持用户自定义，从而可以与任何仿真环境无缝集成。HyperMesh 强大的几何清理功能可以用于修正几何模型中的错误，修改几何模型，从而提升建模效率;高质量高效率的网格划分技术可以完成全面的杆梁、板壳、四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大简化了对复杂儿何进行仿真建模的过程:先进的网格变形技术允许用户直接更改现有网格，实现新的设计，无需重构几何模型，提高设计开发效率:功能强大的模型树视图能轻松应对各种大模型的要素显示和分级管理需要，特别适合复杂机械装备的整体精细化建模。HyperMesh 的这些特点，大大提高了CAE 建模的效率和质量，允许工程师把主要精力放在后续的对产品本身性能的研究和改进上，从而大大缩短整个设计周期。
HyperMesh 直接支持目前全球通用的各类主流的三维CAD 平台，用户可以直接读取CAD 模型文件而不需要任何其他数据转换，从而尽可能避免数据丢失或者几何缺陷。HyperMesh 与主流的有限元计算软件都有接口，如Nastran 、Fluent 、ANSYS 和ABAQUS 等，可以在高质量的网格模型基础上为各种有限元求解器生成输入文件，或者读取不同求解器的结果文件。
HyperMesh的优势
1 .强大的有限元分析建模企业级解决方案
通过其广泛的CAD!CAE 接U 能力以及可编程、开放式构架的用户定制接口能力，HyperMesh 可以在任意工作领域与其他工程程软件进行无缝连接工作。
HyperMesh 为用户提供了一个强大的、通用的企业级有限元分析建模平台，帮助用户降低在建模工具上的投资及培训费用。
2. 无与伦比的网格划分技术一一质量与效率导向
依靠全面的梁杆、板壳单元、四面体或六面体单元的自动网格划分或半自动网格划分能力，HyperMesh 大大降低了复杂有限元模型前处理的工作量。3. 通过批量处理网恪划分( Batch Mesher ) 及自动化组装功能提高用户效率
批处理网格生成技术无需用户进行常规的手工几何清理及网格划分工作，从而加速了模型的处理工作。
高度自动化的模型管理能力，包括模型快速组装以及针对螺栓、定位焊、粘接和缝焊的连接管理。
4. 交互式的网格变形、自定义设计变量定义功能
HyperMesh 提供的网格变形工具可以帮助用户重新修改原有网格即可自动生成新的有限元模型。
5. 提供了由CAE 向CAD 的逆向接口
HyperMesh 为用户提供了由有限元模型生成几何模型的功能。
2. 齿轮轴3的理论分析
齿轮轴3的平面简图
对齿轮轴模型进行适当简化，忽略圆角、倒角和键槽，齿轮轴3的平面简图如图1所示：
图1 齿轮轴3平面简图
齿轮轴3的受力分析
根据要求，将扭矩分解成为延齿轮分度圆法向、切向及轴向的力，然后施加到模型中齿轮轴3的受力分析图如图2所示。
2
图2 齿轮轴3的受力分析图
（1）计算齿轮受力 分度圆直径：mm zm n 76810cos 2827cos d =?==
οβ 圆周力：N d T F 45591768
1750020002000t =?== 径向力：N F F n t r 1685010
cos 20tan 45591cos tan =?==οο
βα 轴向力：N F F t a 803910tan 16850tan =?==οβ
（2）计算轴的支反力
水平支反力：N L L F t NH 16139594
108459445591L F 2121=+?=+=， N L L F t NH 29452594
1084108445591L F 2112=+?=+= 垂直支反力：N L d F L F a r N 7804594
10842/768803959416850L 2/F 2121V =+?+?=++= N L d F L F a r N 904659410842/7688039108416850L 2/F 2112V =+?-?=+-=
（3）计算轴的弯矩
齿轮中间截面处的水平弯矩：mm N L F NH H ?=?==17494676108416139M 11 齿轮中间截面处的垂直弯矩：mm N L F NV V ?=?==845953610847804M 111 mm N L F NV V ?=?==53733245949046M 222 齿轮中间截面处的合成弯矩：mm N M M V H ?=+=19432638M 2121
mm N M M V H ?=+=18301265M 2222
（4）按弯扭组合强度条件校核轴的强度
][pa 1.3400
1.0194326383max max σσ<=?==M W M ，满足强度要求。本分析忽略因阶梯轴界面尺寸突变引起的应力集中，所以有限元分析中齿轮边缘处的应力可能大于中间截面的应力。
3. 齿轮轴3的三维建模
插入斜齿轮
（1）新建一个gb_part 文件，如图3所示。
图3 新建gb_part 文件
（2）点击右侧【任务窗格】中的【设计库】，加载【Toolbox 】插件，依次点击
【Gb —动力传动—齿轮】，右键点击【螺旋齿轮】，选择【生成零件】，如图4所示。
图4 插入斜齿轮模型
（3）在左侧【配置零部件】的【属性】中填入斜齿轮参数，模块：28，齿数：27，螺旋方向：左手，螺旋角度：10，压力角：20，面宽：650，然后点击确定，
生成零件，如图5所示。
图5 斜齿轮参数
绘制轴的三维模型
（1）选择Plane1作为草绘平面绘制草图，如图6所示。
图6 选择草图平面Plane1
（2）绘制草图并标注尺寸，如图7所示。
图7 草图及尺寸
（3）点击【特征】中的【旋转凸台/基体】，旋转轴选择中心直线2，旋转角度为360度，如图8所示。
图8 旋转草图
（4）旋转操作后，齿轮轴3的三维模型建立完毕，其中倒角圆角键槽等简化忽略，如图9所示，并保存为文件。
图9 齿轮轴3的三维模型
4.齿轮轴3的有限元分析
几何模型的编辑
先将齿轮部分与轴分开，然后再对阶梯轴的各段进行切割，最后最齿轮端面进行划分，以利于划分较规则的网格。
（1）导入几何模型。启动Hypermesh，选择OptiStruct模板，进入HyperMesh 程序窗口。程序运行后，在下拉菜单File中选择import，再选择Geometry，同时在标签区点击Select files，从弹出的文件选择对话框中，找到并打开文件，点击import按钮，将模型导入hypermesh中，如图10所示。
图10 导入的几何模型
（2）曲面形体实体化。进入Geom>solids面板，在bounding surfs子面板中激活surfs选择器，然后选择图形的任意表面，则所有的表面被选中，单击creat 按钮，然后单击return按钮，如图11所示。
图11 实体化操作界面
（3）几何模型切割。进入Geom>solid edit面板，选择trim with lines子面板，然后选择with sweep lines方式。在sweep to中依次选择by a vector、x-axis、sweep all。激活solids选择器，选择整个几何模型。激活lines选择器，选择如图12所示的曲线。单击trim按钮，完成第一次切割，将齿轮部分与轴部分切开。
图12 实体第一次切割操作界面
继续在上述界面中选择with bounding lines方式。激活solids选择器，选择整个轴部分。激活lines选择器，选择如图13所示曲线。单击trim按钮，完成第二次切割。
图13 实体第二次切割操作界面
类似上述操作，激活solids选择器后选择剩余实体，激活lines选择器后选择相邻阶梯轴的边界曲线，继续单击trim进行切割，将各个各段轴分离。总共完成七次切割。如图14所示。
图14 完成七次切割后的实体
（4）多余实体隐藏。进入Tool>mask面板，选择mask选项，单击下三角符号，选择solids，在图形区选择轴部分，单击mask按钮，只留下齿轮部分和齿轮中间轴部分，单击return按钮，如图15所示。
图15 实体隐藏操作界面
（5）创建临时节点和线。进入Geom>nodes面板，选择Arc Center选项，点击下三角符号，激活lines选择器，选择齿轮侧面的一条曲线，单击creat按钮，创建了一个圆心，单击return按钮，如图16所示。
图16 临时节点操作界面
进入Geom>lines面板，选择Linear Nodes，激活node list选择器，选择两个节点，单击creat按钮，创建一条直线，按照上述操作，创建如17图所示直线。
图17 创建直线操作界面
继续在lines面板中选择Circle Center and Radius，激活node list选择器，选择圆心节点，单击下三角符号选择x-axis，Radius为275，单击creat 按钮，创建一个圆，按照上述操作创建半径为220,200的圆，最后单击return 按钮，如图18所示。
图18 创建圆操作界面
（6）齿轮端面切割。进入geom>surface edit面板，选择trim with lines子面板，然后选择with lines方式，激活surfs选择器，选中齿轮整个端面，激活lines选择器，选中之前创建的直线和圆，再依次选择along a vector、entire surface、x-axis，单击trim按钮，单击return按钮，完成对齿轮端面的分割，如图19所示。
图19 齿轮端面的切割操作界面
网格划分
为了得到质量较好的有限元分析模型，对几何模型进行分段划分，并且保证各段网格连续，先划分齿轮网格，再划分齿轮中间轴的网格，再根据中间轴的网格向两侧各段轴拉伸。
（1）齿轮端面二维网格划分。进入2D>automesh面板，激活surfs选择器，选择齿轮端面（图中白色区域），设置elemsize=20，如图20所示，单击mesh按钮进入如图21所示界面，调整边上的数字使网格较为规则，单击return按钮。
图20 齿轮端面二维网格划分操作界面
图21 二维mesh设置子操作界面
（2）齿轮端面三维网格划分。进入3D>solid map面板，选择general子面板，source geom切换为none，激活dest geom，切换为surf，选择齿轮另一端面，激活along geom，切换为lines，选中齿轮7条边线（图中白色直线），激活elems to drag，选中齿轮端面二维网格，如图22所示，单击mesh按钮，单击return 按钮，如图23所示。
图22 solid map操作界面
图23 齿轮三维网格
（3）中间轴二维网格划分。进入2D>automesh面板，激活surfs选择器，选择中间轴端面（图中白色区域），设置elemsize=20，如图24所示，单击mesh按钮进入如图25所示界面，调整边上的数字使网格较为规则，单击return按钮。
图24 中间轴端面二维网格划分操作界面
图25 二维mesh设置子操作界面
（4）中间轴三位网格划分。进入Tool>faces面板，激活elems选择器，在弹出的菜单中选择displayed，单击find faces按钮，生成临时2D网格，如图26所示，单击return按钮。
图26 生成临时2D网格
进入3D>solid map面板，选择general子面板，source geom切换为none，激活dest geom，切换为surf，选择中间轴另一端面，激活along geom，切换为elems，选中齿轮内表面单元（图中白色部分），激活elems to drag，选中中间轴端面二维网格，如图27所示，单击mesh按钮，单击return按钮，如图28所示。
图27 solid map操作界面
图28 中间轴三位网格
（5）其他各段轴网格划分。单击工具栏中的Unmask All 按钮，显示所有元素，单击Wireframe Geometry 按钮，使实体只显示线框。
进入Tool>faces面板，激活elems选择器，在弹出的菜单中选择displayed，单击find faces按钮，生成临时2D网格，单击return按钮。
进入3D>solid map面板，选择line drag子面板，激活elems to drag，选中轴端单元（白色部分），激活along geom，切换为lines，选中轴的两条边线，设置elem size=20，如图29所示。单击mesh按钮，然后单击return按钮，
创建后的网格如图30所示。
图29 line drag操作界面
图30 某段轴的三维网格
类似上述操作，划分其他各段轴的三维网格，如图31所示。注意所要选择的拉伸单元，由于之前对齿轮端面进行了切割，所以保证了拉伸轴三维网格的连续性。
图31 其他各段轴的网格划分
（6）检查网格节点连续性。在mask标签中选择隐藏所有3D网格。进入Tool>delete面板，删除其他辅助单元。在mask标签中选择显示所有3D网格。进入tool>faces 面板，在tolerance=输入，激活elems 选择器，在弹出菜单中选择displayed，单击preview quiv 按钮，状态栏显示"0 nodes were found"，说明单元节点无连续性问题，单击find faces 按钮，单击retum 按钮。进入tool>edges 面板。在tolerance=输入。激活elems 选择器，在弹出菜单中选择displayed 。将find: 切换为free deges模式。单击fmd edges ，状态栏显示"no edges were found. Selected elements may enclose avolume"。将find: 切换为T-connections 模式。单击fmd edges 按钮，状态栏显示"no T-connected edges were found" 。单击return 按钮。
（8）将生成的所有3D网格存放到3d_elem中，删除其他component。在Model 标签区空白处右键单击，选择creat>Component，Name为3d_elem，单击creat 按钮。进入tool>organize面板，进入collector 子面板，单击elems 选择器，在弹出菜单中选择displayed 。在dest component=中选择3d elemo，单击move 按钮，最终模型如图32所示。在model browser 中选中除3d elem和lv10 外的其他component，单击右键在弹出菜单中选择delete 删除选中的component。
图32 齿轮轴3的三维网格
材料属性和单元属性的创建
（1）创建材料属性。单击工具栏中的materials，选择creat子面板，在mat name=中输入steel，color选择红色，点击card image=，选择MAT1，如图33所示。然后单击creat/edit按钮，进入材料属性定义面板，输入材料参数，齿轮轴的材料为18Cr Ni Mo7-6，查表得：弹性模量E=，泊松比V=,密度ρ=mm3，单击return 按钮，如图34所示。
图33 材料创建操作界面
图34 材料属性定义操作界面
（2）创建单元属性。单击工具栏中的Properties，选择creat子面板，在prop name=中输入1，color选择蓝色，单击card image=，选择PSOLID，在单击materal=选择 stell，然后单击creat，完成单元属性的定义，单击return按钮。如图35所示。
图35 单元属性创建操作界面
施加约束和载荷
（1）创建约束和载荷。单击工具栏中的loadcollectors，选择creat子面板，在loadcol name=中输入constraints，color选择粉红色，单击creat按钮。再次在loadcol name=中输入yuanzhouli，color选择红色，单击creat按钮。再次在loadcol name=中输入jingxiangli，color选择绿色，单击creat按钮。再次在loadcol name=中输入zhouxiangli，color选择黄色，单击creat按钮。再次在loadcol name=中输入loads，color选择蓝色，单击creat按钮。最后单击return按钮。如图36所示。
图36 load collectors创建页面
（2）添加约束和载荷。在左边Model标签区，右键单击constraints，选择Make Current，将constraints组设置为当前载荷组。
进入Analysis>constraints面板，选择creat子面板，点击下三角符号，选择nodes，在图中选中轴承中心处的所有节点，右键点去dof4，勾选dof1、dof2、dof3、dof5、dof6（齿轮轴的自由度只有沿x方向的转动）。点击creat 按钮，点击return按钮，完成约束的添加。如图37所示。
图37 约束施加操作界面
在左边Model标签区，右键单击yuanzhouli，选择Make Current，将yuanzhouli组设置为当前载荷组。
进入Analysis>forces面板，选择creat子面板，单击下三角符号，选择nodes，选择齿轮分度圆上的一行节点，在magnitude=中输入-1341（一行节点总数为34个，每个节点上的力为45591/34=1341），方向设置为y-axis，单击creat按钮，创建施加于齿轮上的圆周力。如图38所示。
图38 圆周力施加操作界面
在左边Model标签区，右键单击jingxiangli，选择Make Current，将jingxiangli组设置为当前载荷组。
在上述面板中，nodes还是选择同样的节点，在magnitude=中输入-496（16850/34=496），方向设置为z-axis，单击creat按钮，创建施加于齿轮上的径向力。如图39所示。
图39 径向力施加操作界面
在左边Model标签区，右键单击zhouxiangli，选择Make Current，将zhouxiangli组设置为当前载荷组。
在上述面板中，nodes还是选择同样的节点，在magnitude=中输入237（8039/34=237），方向设置为x-axis，单击creat按钮，创建施加于齿轮上的轴向力。如图40所示。
图40 轴向力施加操作界面
单击工具栏中的Organize ，选择collectors子面板，单击下三角符号，选择loads，单击dest component=选择loads，选择图中三个载荷，单击move，将三个载荷转移到loads中，单击return按钮。如图41所示。
图41 载荷移动
（4）创建载荷工况。进入Analysis>loadsteps面板，在name=中输入case，勾选SPC，单击后面的=号，选择constraints，勾选LOAD，单击后面的=号。选择loads，设置type为linear static，最后单击creat按钮，创建一个载荷工况，如图42所示。然后单击edit按钮，从弹出的子面板中勾选OUTPUT，继续勾选OUTPUT中的DISPLACEMENT和STRESS，在上部设置框中单击DISPLACEMENT后面的FORMAT(1)按钮，从弹出的选项中选择H3D，在上部设置框中单击STRESS后面的FORMAT(1)按钮，从弹出的选项中选择H3D（此处定义case工况的位移和应力输出，并定义输出格式为H3D，如图所示），如图43所示，单击return按钮，再单击return按钮。
图42 创建载荷工况
图43 输出结果文件格式定义对话框
求解计算和结果分析
（1）求解计算。进入Analysis>OptiStruct面板中，单击save as修改文件位置，单击OptiStruct按钮，进行求解计算。如图44所示。
图44 OptiStruct操作界面
（2）结果分析。运算完毕后，单击OptiStruct面板中的HyperView按钮，启动HyperView，单击工具栏中的Contour，便可查看相应的位移和应力云图，如图45,46所示。
从图中可以看出，齿轮轴3的最大位移量为，出现在齿轮的齿上，最大应力为，由于应力集中出现在齿轮边缘处，齿轮中间部分应力为。18Cr Ni Mo7-6的屈服强度905Mpa，因此满足要求。
齿轮接触部位，所受到的应力强度最大，另外轴肩过渡处尺寸变化较大的部位，存在一定的应力集中。最大位移分布在轮齿上，沿着阶梯轴逐渐减小。
图45 齿轮轴3的变形分布
图46 齿轮轴3的应力分布
静力学分析报告 一、制作人员： 二、模型名称：桁架 三、创意来源： 四、模型视图： 五、模型简化
因为桁架本身由硬杆组成，所以简化结构 如下图所示，并求各点的受力情况。 假设桁架受到集中力G的影响 1以节点A为探究对象 m A F=0 F B Y?4?F?3=0 F B Y=0.75F F Y=0 F A Y+F B Y=0 F A Y=0.25F 2以节点B为探究对象 F12F13 B F B Y F Y=0 F13cos45°+F B Y=0 F13=?32 4 F F X=0 ?F13cos45°?F12=0 F12=?3 4 F
3以节点G为探究对象 F F10 G F11F13′ F Y=0 ?F13′cos45°?F?F11=0 F11=?0.25F F X=0 F13′cos45°?F10=0 F8=?0.75F 4以节点H为探究对象 F9F11′ F8 H F12′ F Y=0 F9cos45°+F11′=0 F9= 2 4 F F X=0 ?F9cos45°?F8+F12′=0 F8=0.5F 5以节点I为探究对象 F7 F6I F8′ F Y=0 F7=0
F X=0 ?F6+F8′=0 F6=0.5F 6以节点E为探究对象 F4E F10′ F5F7′F9′ F Y=0 F9′cos45°?F5cos45°=0 F5=2 F F X=0 ?F5cos45°+F9′cos45°?F4+F10′=0 F4=?0.25F 7以节点D为探究对象 F3F5′ F2 D F6′ F Y=0 F3+F5′cos45°=0 F3=1 4 F F X=0 F5′cos45°?F2+F6′=0 F4=0.25F 8以节点C为探究对象 C F4′
如何简单的区分ANSYS Workbench 有限元分析中的静力学与动力 学问题 四川 曹文强 “力”是一个很神秘的字，是个象形字，形体极像古代的犁形，上部为犁把，下部为耕地的犁头，也形象的解释“力”含义 ，将无形不可见，不可描述的现象充分的表达了出来。 从初中物理我们就学习过，力是物体之间的相互作用，是使物体获得加速度和发生形变的外因，单独就力而言，有三个要素力的大小、方向和作用点。力学是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的，力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。而今天主要是简单介绍一个静力学与动力学。 首先，静力学与动力学区别是什么？ 答案很简单，一个是“静”，一个是“动”，动静的含义就是时间的问题。故，静力学实际是在研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态，以及结构优化问题，其中的静载荷是指不随时间变化的外加载荷，变化较慢的载荷，也可近似地看作静载荷。当然 “静”动力学 静力学
实际上只是相对而言，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态，也就是平衡的状态。 对于平衡的状态阐述，牛顿第一运动定律（牛顿第一定律，又称惯性定律、惰性定律）就有一个完整表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。 此外，静力学的有五大公理 公理一 力的平行四边形法则：作用在物体上同一点的两个力，可合成一个合力，合力的作用点仍在该点，其大小和方向由以此两力为边构成的平行四边形的对角线确定，即合力等于分力的矢量和。 公理二 二力平衡公理：作用在物体上的两个力，使物体平衡的必要和充分条件是：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。 公理三 加减平衡力系公理：在已知力系上加或减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。 公理四 牛顿第三定律：两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。 此公理概括了物体间相互作用的关系，表明作用力与反作用力成对出现，并分别作用在不同的物体上。 公理五 刚化公理：变形体在某一力系作用下处于平衡时，如将其刚化为刚体，其平衡状态保持不变。 在有限元结构仿真里面，可简化为下流程图。 静荷载 大小、方向、作用点 输入 刚度、约束、尺寸、材料输出 位移、内力、应力
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。 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。 }
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= 齿轮数据：= 齿轮分度圆半径：R2 =、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为键槽均布载荷幅值，P2为齿轮均布载荷幅值。 ； 键槽均布载荷幅值和齿轮均布载荷幅值之比约为P1：P2≈。取键槽均布载荷幅值为1260,齿轮载荷幅值为200. 由于键槽不是平面，所以需要切割，再施加均布载荷。 图3 键槽载荷施加 比较保守考虑，此处齿轮载荷只施加到一个齿轮上。 图4 齿轮载荷施加
现代设计方法实验报告 题目_矩形板静力有限元分析____ 编号______10、11、12_________ 姓名_______杨操__________ 班级_______2 班__________ 学号_______20092503__________
1.题目概况 矩形板尺寸如下图1，板厚为5mm。材料弹性模量为52 E=?，泊松 210N/mm μ。根据以下情况进行讨论： 比27 .0 = 图1 计算简图 （1）试按下表的载荷约束组合，任选二种进行计算，并分析其位移、应力分布的异同。 （2）如下图，讨论板上开孔、切槽等对于应力分布的影响。 提示：各种圆孔，椭圆孔随大小、形状、数量，分布位置变化引起的应力分布变化；各种形状，大小的切槽及不同位置引起应力分布的变化等，选择二至三种情况讨论，并思考其与机械零部件的构型的相对应关系。
图2 开孔/切槽示例 1.1基本数据 对第（1）题中矩形板按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析； 对第（2）题矩形板开槽情况按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析；对第（2）题矩形板开槽位置不同的情况按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析； 对第（2）题矩形板开槽形状的不同按照三种边界约束条件分别进行位移、应力分析。 1.2 分析任务/分析工况 由于矩形板的板厚远小于长宽，且沿薄板周围边界承受着平行于薄板平面并沿厚度均匀分布的外力，因此该问题属于平面应力问题。 2.模型建立 2.1单元选择及其分析 在进行有限元分析时，应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度等要求，选择适合暗送秋波分析的单元类型，本次上机实验选择四节点四
渐开线直齿圆柱齿轮接触应力有限元分析 摘要：本文针对ANSYS有限元齿轮接触仿真进行了探讨，计算齿轮的等效应力和接触应力，对齿轮的弯曲强度失效和接触疲劳失效研究具有重要的实际意义。利用有限元分析方法，得出了相互啮合齿轮在静态情况下，等效应力和接触应力的分布规律；同时分析了齿轮与不同直径齿轮接触时，等效应力和接触应力的变化情况。 关键词：齿轮接触有限元等效应力接触应力 ANSYS 引言 齿轮的接触问题是典型的接触非线性问题，在传统的计算设计方法中，我们通常将非线性问题进行一定的简化与假设，使之变为线性问题来求解，但是这种计算方法的结果不是十分精确。本文基于ANSYS软件建立渐开线直齿圆柱齿轮的二维有限元模型，对静载荷作用下齿轮接触问题进行有限元分析，求得齿轮接触问题更为精确的解，为解决齿轮接触问题提供了一定依据。 1 齿轮传动失效分析 齿轮传动的失效主要是轮齿的失效。根据齿轮传动工作和使用条件的不同，齿轮传动也就有不同的失效形式。主要的失效形式有轮齿的折断、齿面疲劳点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。设计齿轮传动时，应对具体情况作具体分析，按可能发生的主要损伤或失效形式来进行相应的强度计算，有时以齿根弯曲疲劳强度为主，有时以齿面接触疲劳为主。这些问题采用有限元法来计算是十分方便的，下面我们将通过ansys对传动比不同的3组齿轮进行有限元分析。 2 有限元模型及其求解 2.1模型的建立 齿轮均选用标准渐开线直齿圆柱齿轮，模数m=3，压力角α=20°，齿数分别为Z1=35、Z2=25、Z3=20，传动比分别为35:35、25:35、20:35。在建模时考虑到齿轮具有轴对称结构，每个齿的受力情况基本相同，因此可以将齿轮模型简化为平面问题，这样可以节省大量计算时间。先在三维设计软件Pro/E中生成齿轮的三维模型，再将模型保存为iges格式，然后导入到ansys中，删除多余面，仅剩下齿轮端面，并复制一个齿轮并调整角度，可得如图1所示的齿轮实体模型。
第32卷 第2期2010年06月 延 边 大 学 农 学 学 报Jo urnal o f Agricultural Science Yanbian University V ol.32No.2 Jun.2010 收稿日期:2010-01-15 作者简介:郭越(1973-),女,吉林舒兰人,延边大学工学院机械系讲师. 基于CAT IA 的减速器齿轮轴的有限元分析 郭 越 (延边大学工学院机械工程系,吉林延吉133002) 摘要:以CAT IA 为平台对减速器齿轮轴进行三维实体建模,并运用分析与模拟模块进行有限元分析,最后得 到齿轮轴的网格图、应力分布图及位移分布图,对后继齿轮轴的可靠性设计起重要作用. 关键词:齿轮轴;建模;有限元分析;应力分布图 中图分类号:T P391.9 文献标识码:A 文章编号:1004-7999(2010)02-0150-03 减速器是现代机械装备中使用较广的通用机械装备,具有结构紧凑、传动效率高、传递运动准确、可靠等优点.CATIA 是由法国达索飞机公司(Dassault Sy stem)推出的高级计算机辅助设计、制造和分析软件(CAD/CAE/CAM ),广泛应用于航天、汽车、造船和电子设备等行业,涵盖基础结构、机械设计、造型、分析与模拟、数控加工、数字化仿真等模块,并在三维特征建模方面功能强大,很方便地进行复杂三维零件的特征参数化造型,完成的参数化造型能根据按人机交互形式输入的设计变量来控制特征的有无,形成新的尺寸,从而再生出新的三维零件. 1 齿轮轴的三维建模 以二级直齿圆柱齿轮减速器的齿轮轴为例,进行三维建模(图1).此齿轮轴为高速轴,在CAT IA 软件设计中先生成齿轮,其基本参数如表1.齿轮的生成是通过渐开线方程创建齿轮齿廓[1],并运用/圆阵列0、/切割0、/合并0功能,得到标准渐开线圆柱齿轮的截面图,再通过/拉伸(Pad)0、/旋转(Rotate)0等命令生成齿轮 及齿轮轴[2].齿轮轴的简略尺寸如图2. 表1 渐开线圆柱直齿轮的设计参数 Table 1 Design parameter of the standard involute straight toothed spur gear 齿数(z) Number of teeth 模数(m)M odulus 压力角(A )Pr essure ang le 齿顶高系数(H a *)A ddendum coefficient 顶隙系数(C *)H eadspace co ef ficient 齿轮宽度(H )G ear w idth 22220b 10.25 45图1 齿轮轴 图2 齿轮轴的尺寸Fig.1 Gear shaf t Fig.2 Dim ension of gear shaft
经典理论 一、设计大纲概述 1、设计目的 （1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法； （2）掌握有限元软件ANSYS的基本操作； （3）对有限元分析结果进行正确评价。 2、设计原理 利用ANSYS进行有限元静力学分析。 3、设计仪器设备 1）安装windows 2000以上版本的微机； 2）ANSYS 8.0以上版本软件。 4、实验内容与步骤 1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤； 2）掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置； 3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法； 4）实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。 二、题目： 如图试样期尺寸为100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉 力10000N作用。已知该试样材料的应力-应变曲线如图 所示。计算试样的位移分布。
三、分析步骤： 分析：从应力-应变关系可以看出该材料的屈服极限是225MPa 左右，弹性部分曲线的斜率为常数75GPa。之后材料进入塑性变形阶段，应力-应变关系为非线性的。估计本题应力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服进入塑性，必须考虑材料非线性影响。 （1）建立关键点。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In ActiveCS，建立两个关键点（0，0，0）和（0，100， 0）。 （2）建立直线。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Staight Line,在关键点1、2之间建立直线。 （3）定义单元类型。单击菜单Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete, 定义单元Structural>Link>2D spar1(LINK1) （4）定义单元常数。单击菜单Main Menu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete,
行星齿轮减速器齿轮轴的有限元分析和优化 镇江技师学院 蔡紫清 1. 齿轮轴几何参数的初选 通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的几何参数，齿轮轴的齿形为渐开线直齿。分配减速器传动比，计算齿轮模数，并根据传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件确定齿轮的齿数。齿轮轴的齿轮基本参数如表1所示。 2. 齿轮轴的三维建模 利用ANSYS模块建立齿轮轴模型，如图1所示（去掉网格后的实体模型）。 2.1 网格划分 网格划分越密集，计算结果越精确，但是这会使计算时间加长。单元网格的划分采用ANSYS自带的3D四面体自动网格划分，单元尺寸为3mm。网格划分情况如图1所示。 图1：齿轮轴的网络划分 2.2 定义材料特性 齿轮轴材料选择20Cr，其材料属性如下：质量密度 7.850e3kg/m^3，杨氏模量205000N/mm^2（MPa），泊松比0.29，屈服强度等于540N/mm^2（MPa）。 2.3 施加约束和载荷
齿轮轴两端由两个滚子轴承支撑，限制了空间5个自由度，只允许转动。本论文只考虑齿轮轴齿轮处的应力进而对其进行优化，所以为齿轮轴加载荷及约束，安装轴承处加圆柱形约束，在轴端即与联轴器相连处施加大小为175.083N·m的扭矩。约束和载荷施加情况如图2所示。 图2 齿轮轴的载荷施加 2.4 求解和结果查看 ANSYS软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能，可以自动生成计算分析报告。齿轮轴的Von Mises应力图如图3所示。单元节点最大应力为325.8MPa，基本接近材料屈服强度的60%。总体来说，输出轴在强度方面不仅满足了设计要求，而且还有很大的裕量，材料的承载能力并没有得到充分的利用，这为齿轮轴的优化提供了很大的空间。 图3 Von Mises应力图
学号：p1******* 姓名：朱四海 线性静力学分析实例 1.1 问题的描述 一部件结构如图1-1所示，一端面受固定约束，另一端A、B两点受相反方向切向力，求受载后的Mises应力、位移分布。 ν 材料性质：弹性模量E=2e5，泊松比3.0 = 图1-1 部件模型 1.2 启动ABAQUS 启动ABAQUS有两种方法，用户可以任选一种。 （1）在Windows操作系统中单击“开始”--“程序”--ABAQUS 6.10 -- ABAQUS/CAE。 （2）在操作系统的DOS窗口中输入命令：abaqus cae。 启动ABAQUS/CAE后，在出现的Start Section（开始任务）对话框中选择Create Model Database。 1.3 创建部件 在ABAQUS/CAE顶部的环境栏中，可以看到模块列表：Module：Part，这表示当前处在Part（部件）模块，在这个模块中可以定义模型各部分的几何形体。可以参照下面步骤创建部件的几何模型。 （1）创建部件。对于如上图1-1所示的部件模型，可以先画出二维截面，再通过拉伸得到。步骤如下：
单击左侧工具区中的（Create Part）按钮，或者在主菜单里面选择Part--Create，弹出如图1-2所示的Create Part对话框。 图1-2 Create Part对话框 在Name（部件名称）后面输入ep2，Modeling Space（模型所在空间）设为3D，Shape选择Solid（实体），Type采用默认的Extrusion，在Approximate size里面输入600。单击Continue...按钮。 （2）绘制部件二维截面图。ABAQUS/CAE自动进入绘图环境，左侧的工具区显示出绘图工具按钮，视图区内显示栅格，视图区正中两条相互垂直的点划线即当前二维区域的X轴和Y轴。二者相交于坐标原点。 选择绘图工具箱中的工具，窗口提示区显示Pick a center point for the circle--or enter X,Y（选择一个中心点的圆，或输入X,Y的坐标），如图1-3所示。 图1-3 输入圆心坐标 输入圆上任意点坐标为（0,50），回车，第一个圆形就画出来了。继续画第二个圆，圆心坐标为（0,0），圆上任意一点（0,40）。
基于ANSYS的齿轮传动有限元分析和优化 摘要 ANSYS是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学，计算力学和计算工程科学领域最有效的通用有限元分析软件。它是融结构，热，流体，电磁，声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。利用ANSYS有限元分析，可以对各种机械零件，构件进行应力，应变，变形，疲劳分析，并对某些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。由于其方便性、实用性和有效性，ANSYS软件在各个领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。 齿轮是机械中常用的一种零件，其在工作的过程中会产生应力，应变和变形，为保证其正常工作需要对齿轮的轮齿和整体受力进行分析，保证其刚度和强度的要求。本论文采用ANSYS软件对齿轮进行静力学分析和优化实现对齿轮的虚拟设计。 齿轮是最重要的零件之一。它具有功率范围大，传动效率高，传动比正确，使用寿命长等特点，但从零件失效的情况来看，齿轮也是最容易出故障的零件之一。据统计，在各种机械故障中，齿轮失效就占故障总数的60%以上。其中轮齿的折断又是齿轮失效的主要原因之一。 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。 齿廓曲面是渐开线曲面，所以建模的难点和关键在于如何确定精确的渐开线。通过PDL命令流直接在ANSYS中创建标准直齿圆柱齿轮，学习应用ANSYS软件进行零件的几何建模和网格划分，并进行静力加载和求解，对求解的结果进行查看，分析和优化。 关键词：ANSYS；有限元；齿轮；CAE
62 2013年第31期（总第274期） NO.31.2013 ( CumulativetyNO.274 ) 通常在设计齿轮强度选择过程中，采取的多是人工方式进行设计和齿轮强度校验，具体方法是材料力学，用齿轮作为悬臂梁，对齿面接触强度和翅根弯曲强度进行设计和校核。接着利用所得的设计结果对结构进行设计，同时将二维图纸画出来。 1 设计想法 实践中可以看到，ANSYS技术对复杂实体建模表现出一定的局限性，一方面难以保证渐开线齿廓自身的形状精确度，另一方面也不能完成参数化设计。对于Pro/E软件而言，其可以有效解决这一问题，实现这一操作目标；此外，与ANSYS之间的数据接口性能也比较好。笔者建议在Pro/E软件应用基础上，建立一个精确度非常高的三维参数化圆柱齿轮模型，然后向ANSYS中导入Pro/E软件得到的模型，对齿轮模态、静态特性等进行有限元分析，此时推土机的终传齿轮自身的强度特性就可以得出，最后可以通过振型图、应用云图以及变形云图等方式和方法，对分析结果进行最为直接的显示。 2 建模 图1?齿轮模型 以笔者之见，齿轮模型建立只需将模数、齿数以及压力角和螺旋角等齿轮参数整合，并对轮缘、辅板的厚度以及轴孔的半径等参数进行综合考虑，便可以自动生成 齿轮。 低，所以得到了极大的推广。而现代社会中随着PC机的普及发展，虚拟仪器的测试技术得到了实现，与前两段历程相比，这个阶段操作性更强，且费用最低，其灵活性与效率也最高，势必在将来得到大发展，但是其漏洞在于潜在的第三方技术的升级成为了始终威胁安防系统的隐患。 5 结语 信息技术与通信技术的发达使安防技术的质量与效率愈加提高完善。目前，安防技术已经涵盖了几乎所有行业，包括建筑、生活区、银行、交通、车辆等。伴随人民生活水平的提高其需求水平相应增加，安防意识也越来越强，信息技术的飞速发展也反过来刺激了不法人员的升级换代，所以安防系统的重要性可想而知，由于智能安防市场的扩大，越来越多的企业开始介入对其的研发，但是客观的安防并不能根除危机隐患，要从根本上杜绝还依赖于社会精神文明的建设，人民总体素质的提高。 参考文献 [1] 汪光华．智能安防视频监控全面解析与实例分析[M]． 北京：机械工业出版社，2008．[2] 西刹子．安防天下[M]．北京：清华大学出版社， 2010．[3] 陈龙．智能建筑安防系统[M]．北京：机械工业出版 社，2012． [4] 薛亮．适用于智能化建筑和小区管理的安防系统研究 与开发[J]．天津科技，2009．[5] 许恩江，吴波，王保山．智能机器人的安防和服务功 能系统设计及应用[J]．实验科技与管理，2010，11．[6] 宋杰，张宇松，刘平心．基于互联网的智能变电站新 型安防设计方案[J]．电力信息化，2012，6． [7] 唐铮，程三友．从世博会看智能建筑安防技术发展方 向[J]．建筑电气，2011，3． 基于ANSYS的齿轮强度有限元分析 章俊华 （福建龙净脱硫脱硝工程有限公司，福建 龙岩 364000） 摘要：通常在设计齿轮强度时，用齿轮作为悬臂梁，对齿面接触强度和翅根弯曲强度进行设计和校核。因为齿轮有着极为复杂的受力和结构形状，特别是在进行工作的时候常常会受到动载的作用，同设想中梁承受静载的状况差距过大，造成很大的误差，使结构整体的应力情况和变形无法反映出来。关键词：ANSYS；齿轮强度；有限元分析 中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）31-0062-02
基于ABAQUS的电梯层门静力学有限元分析 摘要根据GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》[1]中7.2项规定了门及其框架的强度；随着经济的发展，电梯也变得越来越重要，电梯事故频发，电梯层门的门机械机构强度也是一个重要的检验项目，关系到特种设备的安全运行。本文针对现场检验中的电梯层门，以Abaqus有限元软件为工具，具体量化其机械结构，建立相关的简化模型并进行网格的划分，基于现场检验提供的数据，设置电梯层门门板的载荷与边界条件，模拟电梯受到静力的物理过程，通过其特定材质厚度的仿真分析，分析特定材质下的门板变形影响情况，为电梯层门门板的设计及检验提供一定的参考。 关键词曳引电梯；层门门板；检验；强度分析 1 电梯层门机械强度的标准要求 根据GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》7.2.3.1规定层门在锁住位置时，所有层门及其门锁应有这样的机械强度： （1）用300 N的静力垂直作用于门扇或门框的任何一个面上的任何位置，且均匀地分布在5 cm2的圆形或方形面积上时，应： ①永久变形不大于1 mm； ②弹性变形不大于15 mm； 试验后，门的安全功能不受影响。 （2）用1000 N的静力从层站方向垂直作用于门扇或门框上的任何位置，且均匀地分布在100 cm2的圆形或方形面积上时，应没有影响功能和安全的明显的永久变形[见7.1（最大10 mm的间隙）和7.7.3.1]。 注：对于（1）和（2），为避免损坏层门的表面，用于提供测试力的测试装置的表面可使用软质材料。 2 现场的检验 2.1 电梯基本技术参数 以现场检验电梯为例，进行层门的测量。结合检规规定的测量方法。该电梯产品制造商为某著名电梯公司，产品型号为TE-Evolution，电梯类别为有机房曳引驱动乘客客梯，额定载重量为1000kg，额定速度为1.75m/s，站/层/门为7/7/7。根据现场的测量，记录下层门相关数据，查阅安装资料，确定层门材质及尺寸。
毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 基于ANSYS的齿轮接触应力有限元分析 一、研究现状及研究主要成果 1. 《基于ANSYS的渐开线啮合齿轮有限元分析》中指出：采用有限元软件ANSYS建立了啮合齿轮的有限元模型，利用ANSYS软件的非线性接触分析功能，对啮合齿轮的接触问题进行仿真，计算出接触应力，为齿轮的强度计算和设计在方法上提供了参考和依据。建立了渐开线圆柱啮合齿轮的三维有限元模型；研究了齿轮系统整体分析中接触对的建立、齿轮加载方式的选择；研究了齿轮副结构有限元分析方法。采用在圆柱面的节点上加切向力来代替力矩的加载方式，对齿轮面接触参数进行设置，并且得到了接触分析的最终结果，说明该有限元建模的方法是可行的，为将来齿轮系统动力学的研究奠定基础。 2.《基于ANSYS的多齿差摆线齿轮有限元分析》中指出：应用ANSYS分析软件对多齿差摆线齿轮进行建模，推导出不同啮合相位角摆线齿轮根部应力计算公式，计算了不同啮合相位角摆线齿轮根部应力，找出齿轮齿根过渡圆弧半径与齿根处最大应力的关系和摆线齿轮根部过渡圆弧半径对齿轮根部应力的影响。摆线齿轮在齿顶啮合时齿轮根部具有最大应力值，采用了过渡圆弧的摆线齿轮齿根危险截面处的最大应力值明显比未采用过渡圆弧的摆线齿轮低，危险截面处的最大应力值随着过渡圆弧半径的增大而减小，当圆弧半径较小时最大应力减小趋势较快，当圆弧半径逐渐增大时应力减小趋势逐渐变缓。 3.《齿轮接触有限元分析》指出：计算接触非线性问题有许多方法，例如罚函数法、拉格朗日乘子法等，其中罚函数法由于其经济和方便而得到广泛使用。过去使用点-点接触单元，求解接触问题，对于象齿轮类接触，模型构造很麻烦，计算结果精度和准确性很难保证。随着计算机和有限元法的发展，新的接触单元法产生精确的几何模型，自动划分网格，适应求解。通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型，并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力，与赫兹理论比较，同时也计算了摩擦力对接触应力的影响。计算分析了单元离散、几何、边界范围与加载或约束处理方式的误差，建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准，说明了新的接触单元法的精确性、有效性和可靠性。 4.《渐开线直齿圆柱齿轮有限元仿真分析》中指出：ANSYS软件对齿轮变形和齿根应
有限元分析法在齿轮设计中的应用蔡涌 发表时间：2018-06-27T17:53:00.957Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第3期作者：蔡涌1 于站雨2 王爱钦3 [导读] 现代机械零件不仅承受各种复杂机械载荷，还可能工作在热、电、磁、流体的环境中。 河南电力博大科技有限公司河南郑州 450001 摘要：本文利用有限元分析，显示出齿轮的应力分布情况，找出应力集中点，形成对齿轮分析的一整套方法，对新齿轮的设计提供理论依据。由于齿轮在传递动力时，轮齿处于悬臂状态，在齿根产生弯曲应力和其他应力，并有较大的应力集中，因而易造成轮齿折断，本文所选的齿轮为输入轴端的大齿轮。 关键词：有限元分析法；齿轮设计；应用 1、前言 现代机械零件不仅承受各种复杂机械载荷，还可能工作在热、电、磁、流体的环境中，因此零件设计不仅要考虑机械载荷，还应对其他因素的作用进行计算，有限元软件的后处理器，用户容易获得和处理数值计算结果，并可利用图形功能进行深层次再加工。 2、创建有限元模型 齿轮轮齿断裂现象在机械传动设备中是一种最为常见的齿轮损伤形式，也是造成齿轮失效的主要原因。按照轮齿断裂的原因和断口性质可以分为过载断裂、轮齿剪断、塑变后断齿和疲劳断齿。最常见的是疲劳断齿和过载断裂两种形式。轮齿在长期受到过高的交变应力重复作用下，在轮齿的根部弯曲应力较大且应力相对集中的部位会产生疲劳裂纹（疲劳源），随着重复载荷作用的次数增多，原始的疲劳裂纹不断扩展，当齿根剩余截面上的应力超过其极限应力时，轮齿就会因过载最终导致疲劳断齿。过载断齿是当实际载荷大大超过设计载荷，或因轮齿接触不良，载荷严重集中，使轮齿的应力超过其极限应力，在使用不太长的时间内产生轮齿整个或局部断裂。 某带式输送机传动装置为二级齿轮减速器，下面以高速级齿轮设计为例来说明齿轮传动的设计。其输入功率P＝10kW，输入转速n1＝960r/min，选择高速级齿数比u＝3.2、斜齿圆柱齿轮传动、7级精度。其中小齿轮材料为40Cr，调质处理，齿面度280HBS；大齿轮材料为45钢，调质处理，齿面硬度240HBS。按常规设计方法设计，最终设计出的高速级齿轮的参数为：Z1＝31，Z2＝99，Mn＝2mm，螺旋角β＝14°02′5″，齿宽B1＝70mm、B2＝65mm，中心距134mm。在对减速器齿轮进行有限元分析时，首先要建立准确的实体模型。这里应用SolidWoks2013软件完成减速器高速级大齿轮的三维实体模型。 将已建立的齿轮模型另存为.x_t类型的文件，然后导入ANSYS中。设置材料属性参数为：泊松比μ＝0.269，弹性模量E＝2.09×1011N/mm2，密度ρ＝7.89×103kg/m3。为了提高计算精度并减少计算时间，在这里将大齿轮模型进行简化处理，并在ANSYS中选择8节点四面体Solid45单元类型。然后选择自由网格划分方式进行网格划分，得到单元总数为188237，节点总数36879，有限元模型如图1所示。 图1 斜齿圆柱齿轮有限元模型 3、ANSYS的模态分析 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其他动力学分析问题的起点。利用有限元软件对齿轮进行模态分析研究其动态特性，提高齿轮的工作可靠性。这里在齿轮的中心孔处进行全约束处理，对齿轮有限元模型进行模态分析时选择BlockLanczos作为模态提取方法，输入提取12阶模态，完成其他设置后，进行求解。从后处理获取的结果可以看出，前三阶固有频率为零，第四到六阶固有频率很小几乎为零，属于刚体模态，故不予考虑。第七阶模态对应第一阶模态。得到齿轮前六阶振型的固有频率和模态振型，了避免传动系统发生共振，应当使外界激励响应频率避开齿轮的固有频率。 4、ANSYS的齿根弯曲应力分析 齿轮轮齿受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合，此时弯矩的力臂最大，单力不是最大，因此弯矩也不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区的最高点时。所以，齿根弯曲强度也应该按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。由于斜齿轮的接触线为一斜线，在两齿轮啮合时，首先过接触点做两基圆的公切线，切点分别为N1和N2，是两齿轮的理论啮合点，再过理论啮合点和接触点做一平行于Z轴的平面，该平面与齿廓面的交线就是接触线，也是最佳加载线的位置。 将前面创建的斜齿圆柱齿轮的有限元模型进一步做简化处理，然后添加约束条件并施加载荷。根据上述条件，求得齿轮的输入转矩T＝99.48N·m，然后求出切向力Ft＝3113.62N，径向力Fr＝1168.41N，轴向力Fa＝1133.36N。采取集中力加载的方式将所求得的各分力平均加载到接触线附近的各节点上。计算求解后，在ANSYS后处理中提取齿根弯曲应力云图如图2所示。
课程论文封面 课程名称：结构分析的计算机方法 论文题目：齿轮轴3的静力学有限元分析学生学号： 学生姓名： 任课教师： 学位类别：学硕
目录 1. HyperMesh软件介绍 (1) 1.1 HyperMesh简介 (1) 1.2 HyperMesh的优势 (1) 2. 齿轮轴3的理论分析 (2) 2.1 齿轮轴3的平面简图 (2) 2.2 齿轮轴3的受力分析 (2) 3. 齿轮轴3的三维建模 (4) 3.1 插入斜齿轮 (4) 3.2 绘制轴的三维模型 (5) 4.齿轮轴3的有限元分析 (7) 4.1 几何模型的编辑 (7) 4.2 网格划分 (12) 4.3 材料属性和单元属性的创建 (19) 4.4 施加约束和载荷 (21) 4.5 求解计算和结果分析 (25)
1. HyperMesh软件介绍 1.1 HyperMesh简介 HyperMesh 是一个高质量高效率的有限元前处理器，它提供了高度交互的可视化环境帮助用户建立产品的有限元模型。其开放的架构提供了最广泛的CAD 、CAE 和CFD 软件接口，并且支持用户自定义，从而可以与任何仿真环境无缝集成。HyperMesh 强大的几何清理功能可以用于修正几何模型中的错误，修改几何模型，从而提升建模效率;高质量高效率的网格划分技术可以完成全面的杆梁、板壳、四面体和六面体网格的自动和半自动划分，大大简化了对复杂儿何进行仿真建模的过程:先进的网格变形技术允许用户直接更改现有网格，实现新的设计，无需重构几何模型，提高设计开发效率:功能强大的模型树视图能轻松应对各种大模型的要素显示和分级管理需要，特别适合复杂机械装备的整体精细化建模。HyperMesh 的这些特点，大大提高了CAE 建模的效率和质量，允许工程师把主要精力放在后续的对产品本身性能的研究和改进上，从而大大缩短整个设计周期。 HyperMesh 直接支持目前全球通用的各类主流的三维CAD 平台，用户可以直接读取CAD 模型文件而不需要任何其他数据转换，从而尽可能避免数据丢失或者几何缺陷。HyperMesh 与主流的有限元计算软件都有接口，如Nastran 、Fluent 、ANSYS 和ABAQUS 等，可以在高质量的网格模型基础上为各种有限元求解器生成输入文件，或者读取不同求解器的结果文件。 1.2 HyperMesh的优势 1 .强大的有限元分析建模企业级解决方案 ●通过其广泛的CAD!CAE 接U 能力以及可编程、开放式构架的用户定制接 口能力，HyperMesh 可以在任意工作领域与其他工程程软件进行无缝连接工作。 ●HyperMesh 为用户提供了一个强大的、通用的企业级有限元分析建模平台， 帮助用户降低在建模工具上的投资及培训费用。 2. 无与伦比的网格划分技术一一质量与效率导向 ●依靠全面的梁杆、板壳单元、四面体或六面体单元的自动网格划分或半自动 网格划分能力，HyperMesh 大大降低了复杂有限元模型前处理的工作量。 3. 通过批量处理网恪划分( Batch Mesher ) 及自动化组装功能提高用户效率 ●批处理网格生成技术无需用户进行常规的手工几何清理及网格划分工作，从 而加速了模型的处理工作。 ●高度自动化的模型管理能力，包括模型快速组装以及针对螺栓、定位焊、粘 接和缝焊的连接管理。 4. 交互式的网格变形、自定义设计变量定义功能 ●HyperMesh 提供的网格变形工具可以帮助用户重新修改原有网格即可自动 生成新的有限元模型。 5. 提供了由CAE 向CAD 的逆向接口 ●HyperMesh 为用户提供了由有限元模型生成几何模型的功能。
本科毕业设计 论文题目：基于ansys的齿轮应力有限元分析 学生姓名： 所在院系：机电学院 所学专业：机电技术教育 导师姓名： 完成时间：
摘要 本文主要分析了在ansys中齿轮参数化建模的过程。通过修改参数文件中的齿轮相关参数，利用APDL语言在ANSYＳ软件中自动建立齿轮的渐开线。再利用图形界面操作模式，通过一系列的镜像、旋转等命令，生成两个相互啮合的大小齿轮。运用有限元分析软件ANSYS对齿轮齿根应力和齿轮接触应力进行分析计算,得出两个大小齿轮的接触应力分布云图。通过与理论分析结果的比较,验证了ANSYS在齿轮计算中的有效性和准确性。 关键词:ANSYS,APDL，有限元分析,渐开线，接触应力。
Modeling and Finite Element Analysis of Involute Spur Gear Based on ANSYS Abstract We have mainly analyzed spur gear parametrization modelling process in the ansys software. using the APDL language through revises the gear related parameter in the parameter document,we establishes gear's involute automatically in the ANSYS software.Then, using the graphical interface operator schema, through a series of orders ,mirror images, revolving and so on, we produce the big and small gear which two mesh mutually. Carring on the stress analysis of the gear by using the finite element analysis software-- ANSYS, we obtain two big and small gear's contact stress distribution cloud charts. through with the theoretical analysis result's comparison,we explain ANSYS in the gear computation validity and the accuracy. Keywords: ANSYS; APDL;finite element analysis;involute line;contact stress
一、设计大纲概述 1、设计目的 （1）熟悉有限元分析的基本原理和基本方法； （2）掌握有限元软件ANSYS的基本操作； （3）对有限元分析结果进行正确评价。 2、设计原理 利用ANSYS进行有限元静力学分析。 3、设计仪器设备 1）安装windows 2000以上版本的微机； 2）ANSYS 8.0以上版本软件。 4、实验内容与步骤 1）熟悉ANSYS的界面和分析步骤； 2）掌握ANSYS前处理方法，包括平面建模、单元设置、网格划分和约束设置； 3）掌握ANSYS求解和后处理的一般方法； 4）实际应用ANSYS软件对平板结构进行有限元分析。 二、题目： 如图试样期尺寸为100mm*5mm*5mm,下端固定，上端受拉 力10000N作用。已知该试样材料的应力-应变曲线如图 所示。计算试样的位移分布。
三、分析步骤： 分析：从应力-应变关系可以看出该材料的屈服极限是225MPa 左右，弹性部分曲线的斜率为常数75GPa。之后材料进入塑性变形阶段，应力-应变关系为非线性的。估计本题应力10000/（0.05*.005）=400MPa,因此材料屈服进入塑性，必须考虑材料非线性影响。 （1）建立关键点。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In ActiveCS，建立两个关键点（0，0，0）和（0，100， 0）。 （2）建立直线。单击菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Staight Line,在关键点1、2之间建立直线。 （3）定义单元类型。单击菜单Main Menu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete, 定义单元Structural>Link>2D spar1(LINK1) （4）定义单元常数。单击菜单Main Menu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete, 在弹出的Real Constants for LINK1对话框中，输入 如下的单元几何参数：截面面积AREA=25 出始应 变=0
机械1003班孙祥和 3100301144 基于高速旋转齿轮的有限元分析 引言：齿轮泵是工程中较为常见的一种泵，在高速运转时齿轮受到多种力的作用，包括齿面受到的压力，啮合时的接触应力以及自身离心力。在此过程中，齿轮将发生形变，为此我们需要对其进行分析，确保其结构的稳定性，这对于齿轮泵安全有效地运行具有很重要的意义。 关键词：高速齿轮、平面静力分析、接触应力分析、离心力分析 一、分析对象 这里我们分析的对象是齿轮泵中高速运转的齿轮，在ANSYS中我们建立了标准齿轮模型，其各项数据如下表所示 齿顶直径24 mm 齿底直径20 mm 齿数10 厚度 4 mm 弹性模量 2.06E11 pa 密度7.8e3 kg/m3 最大转速62.8 rad/s 摩擦系数0.1 啮合齿轮中心距44 mm 表1 齿轮泵高速齿轮参数 二、平面静力分析 1、分析问题 为了考查齿轮泵在高速运转时，齿轮发生多大的径向位移，从而判断其变形情况，以及齿轮运转过程齿面受到的压力作用。在这里我们将齿轮的空间结构简化为平面模型，并分析其平面应力情况。 此处的静力分析为线性静力分析，求解步骤分为建模、施加载荷和边界条件并求解、结果分析和评价三个步骤，下面依序进行。 2、建立模型 2.1 定义单元类型 根据齿轮的平面几何对称性和此处分析类型，我们选择四节点矩形单元PLANE42。PLANE42不仅可以用于计算平面应力问题，还可以用于分析平面应变和轴对称问题。每个节点2个自由度：x,y方向。具有塑性，徐变，膨胀，应力强化，大变形，大应变能力。
设定好单元类型后，对选择的PLANE42单元进行设置，在Element behavior （单元行为方式）选择Plane stress w/wk。 2.2 定义实常数 本处选用带有厚度的平面应力行为方式的PLANE 42单元，需要设置器厚度实常数，只需在“Type1 PLANE 42”中将厚度设为4即可。 2.3 定义材料属性 考虑惯性力的静力分析中必须定义材料的弹性模量和密度。 2.4 建立齿轮面模型，如下图所示 图2 建立齿轮面模型 2.5对盘面划分网格 选择Main Menu：Preprocessor>Meshing>Meshing Tool(网格工具)命令,然后单击Line域选择所有线条(Pick All),之后用线控制单元网格划分,在No.of element division(划分单元的份数)中输入10,表示所有线条被划分为10份。本处选用PLANE 42单元对盘面划分映射网格。 3、定义边界条件并求解 建立有限元模型后，就需要定义分析类型和施加边界条件及载荷，然后求解。此处齿轮的载荷为62.8 rad/s转速形成的离心力，位移边界条件将内孔边缘节点的周向位移固定，具体分为以下几个步骤。 3.1施加位移边界 由于此处是对圆柱齿轮进行静态受力分析，为了获得较好的弯曲应力特性，