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1、XXXX 大 学（硕、博士）研究生试卷本考试课程名称 有限元方法与应用 考 试 考 查 学 科 专 业 机械工程 学 号 XXXXX 姓 名 XXX 题目序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 总计 评卷教师基于 ANSYS 的齿轮接触非线性有限元分析摘要：通过研究接触问题有限元基本理论，应用大型有限元分析软件 ANSYS 对齿轮啮合对进行接触非线性有限元分析。有限元处理传统解析法无法处理的啮合问题结果比传统计算公式更为准确，且可定量的分析齿轮啮合应变与应力分布情况。关键词：有限元；ANSYS 齿轮；应变；应力Abstract:By studying the basic theory
2、of finite element contact problem, using large-scale finite element analysis software ANSYS to the gear mesh to the contact nonlinear finite element analysis. The finite element mesh of dealing with the traditional analytic method cannot handle problems more accurate results than the traditional cal
3、culation formula, and the quantitative analysis of the gear meshing of strain and stress distribution.Key words: finite element; ANSYS gear; strain; stress一、研究背景接触是一种常见的物理现象，它涉及到接触状态的改变，还可能伴随有热、电等过程，因此成为一个复杂的非线性问题。齿轮啮合就是一种接触行为，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
4、啮合过程中的应力以及应变。相对与理论分析，有限元法具有快速、准确可靠、计算灵活等优点，因此用有限元法做齿轮的接触分析对于研究齿轮的失效具有重要意义。齿轮传动装置在运行工况下常常会发生轮齿折断、齿面损伤、塑性变形等问题，导致传动性能失效，进而可能引发严重的生产事故，因而有必要对齿轮接触状态的强度性能进行合理的评估，校核其结构的可靠性。二、分析过程1、定义工作文件名和目标工作标题（1）定义工作名执行 Utility MenuFileChange Job name 命令，弹出 Change Job name 对话框，输入工作文件名 Gear。（2）定义工作标题执行 Utility MenuFileC
5、hange Title 命令，弹出 Change Title 对话框，输入 the contact analysis of gear。2、定义单元类型执行 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 命令，弹出 Element Type 对话框，单击 Add 按钮，弹出 Library of Element Type 对话框。在 Library of Element types 选择框中选择 Structural Mass, Solid Brick 20node 95,在 Element type Reference number 文本框中
6、输入 2。 在 Library of Element types 选择框中选择 Contact 3D Target 170,在 Element type Reference number 文本框中输入 2。在 Library of Element types 选择框中选择 Contact 3D 8nd surf 174,在Element type Reference number 文本框中输入 3。3、定义材料性能参数图 1 材料线性设置对话框4、生成几何模型、划分网格（1）输入几何体输入三维齿轮模型文件（2）打开实体移动、缩放和旋转工具条执行 Utility MenuPlotCtrlsPan
7、,Zoom,Rotate 命令，出现 Pan-Zoom-Rotate 工具条，单击 Iso 按钮，输入的单个齿轮几何模型如图2 所示：图 2 单个齿轮几何模型（3）生成传动齿轮对执行 Main MenuModelingOperateBooleansGlueVolumes 命令，弹出 Glue Volumes 拾取框，单击 Pick All 按钮完成选择。执行 Main MenuModelingOperateBooleansAddVolumes 命令，弹出 Add Volumes 按钮，单击 Pick All 按钮完成选择。确认当前坐标系为总体直角坐标系，然后执行 Main MenuModeli
8、ngCopyVolumes 命令，弹出 Copy Volumes 拾取框，然后单击 Pick All 按钮完成选择，又弹出 Copy Volumes 设置框，如图 3 所示，在 DX 文本框输入 6.5，完成设定。图 3 体复制设置对话框执行 Utility MenuWorkplaceChange Active CS toGlobal Cylindrical 命令，将当前坐标系切换到柱坐标系。执行 Main MenuModelingMove/ModifyVolumes 命令，弹出 Move Volumes拾取框，然后用鼠标拾取编号为 2 的体素，然后单击 OK 按钮，弹出 Move Volum
9、es 对话框，在 DY 文本框中输入 6.5。最后生成的传动齿轮对如图 4 所示：图 4 齿轮传动模型（4）网格划分执行 Main MenuMeshingMesh Tool 命令，弹出 Mesh Tool 对话框，设置 Smart Size 值为 10，然后设置 Shape 为 Tet,模式为Free，单击 Apply 按钮，弹出 Mesh Volumes 拾取框，然后单击 Pick All 按钮，划分网格后单击 Close 按钮关闭该对话框。执行 Utility MenuPlotElements 命令，程序图形工作区将显示网格划分的模型，如图 5 所示：图 5 齿轮模型网格5、利用接触向导生
10、成接触执行 Main MenuModelingCreateContact Pair 命令，弹出Contact Manager 接触向导对话框，如图 6 所示：图 6 接触向导对话框（1）设定目标面单击 Contact Manager 对话框上顶端最左边的按钮新建接触时，弹出 Contact Wizard 对话框，如图 7 所示，通过此对话框可设定目标面。设定目标面类型为 Areas,单击 Pick Target 按钮，弹出 Select Areas for Target 拾取框，选择编号为 271 的面，然后单击 OK 按钮完成选择。图 7 目标面选择对话框（2）设定接触面完成目标面的选择后，
11、单击 Next 按钮，弹出如图 8 所示对话框，可设定接触面，单击 Pick Contact 按钮，弹出 Select Areas for Contact 拾取框，选择编号为 342 的面，然后单击 OK 完成选择。图 8 接触面选择对话框单击 Contact Wizard 对话框上的 Next 按钮，完成该接触面对接触面的设定，又弹出如图 9 所示的接触参数设定对话框。图 9 接触参数设定对话框（3）设定接触参数在图 9 的对话框中，单击 Optional settings 按钮，弹出 Contact Properties 对话框，如图 10 所示。在 Basic 选项卡下设置法线接触刚度为
12、 0.1，在 Initial Adjustment 选项卡下设置 Initial Contact Closure为 0.01，然后单击 OK 完成接触属性设置并关闭该对话框。图 10 接触对属性设置对话框（4）生成接触在图 9 所示的对话框中，单击 Create 按钮即可完成接触对的创建。6、加载求解（1）设定分析类型执行 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 命令，弹出 New Analysis 对话框，选择分析类型为 Static。（2）设定求解控制选项执行 Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Contrls
13、 命令，弹出 Solution Controls 对话框，单击 Basic 选项卡，选择 Large Displacement Static 变形模式，设定求解时间为 1，打开自动时间步长，子步数 50，最大子步数 100，如图 11 所示：图 11 求解控制基本选项设置对话框单击 Nonlinear 选项卡，在该对话框中，将 Line search 项置为On，同时将 DOF solution predictor 项置为 On for all substep,如图 12所示：图 12 求解控制非线性选项设置对话框（3）设定边界条件和载荷 执行 Main MenuSolutionDefine
14、LoadsApplyStructuralDisplacementon Areas 命令，弹出 Apply U，ROT on Areas 拾取菜单，然后用鼠标在模型上拾取齿轮体 1 和体 2 的内圆面，单击 Apply按钮，弹出 Apply U，ROT on Areas 对话框，选择 All DOF,单击 Apply 按钮。执行 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes 命令，弹出 Apply F/M on Nodes 拾取菜单，然后拾取编号为 3439 的节点，单击 OK 按钮，弹出 Apply F/M o
15、n Nodes 对话框，在 Direction of force/mom 项选择 FX，在 Force/moment value 文本框中输入-20，然后单击 Apply 按钮。同样的，又通过 Apply F/M on Nodes 拾取菜单，选择编号为 1848 的节点，然后单击 OK 按钮，在弹出的对话框中， Direction of force/mom 项选择FX，在 Force/Moment value 文本框中输入 20，然后单击 OK 完成扭矩的施加。（4）求解执行 Utility MenuSelectEverthing 命令，选择所有实体。执行Main MenuSolutionSolveCurrent LS 命令，开始求解。求解结束时，执行 Utility MenuFileSave as 命令，弹出 Save Database 对话框，在 Save Database 对话框 Save Database to 文本框中输入Result.db，保存上述数据结果。7、查看求解结果（1）读取数据执行 Main MenuGeneral PostprocRead ResultsLast Set 命令，读取最后一步的求解数据结果。（2）查看变形结果执行 Main Men
