基于SolidWorks、ANSYS軟件的減速器齒輪模態(tài)分析

黃廣新， 于麗新

（1.遼寧省核工業(yè)地質局二四五大隊，沈陽110122；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽110006）

0 引言

模態(tài)分析是用來確定結構的振動特性的一種技術，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動）。利用SolidWorks軟件對一種榖盤切削機床減速器中的齒輪進行實體造型，并通過ANSYS有限元分析軟件對該齒輪進行模態(tài)分析，從而為其結構設計提供了技術支持，有助于對齒輪的結構靜力、嚙合動力以及非線性分析時估算出求解控制參數(shù)。

SolidWorks是一款功能強大的三維實體造型軟件。多通道的軟件接口技術和多種文件存儲格式，使其輕松地與多種軟件進行文件轉換。雖然SolidWorks有著強大的實體造型功能，但在結構分析方面的能力相對較弱。ANSYS軟件在工程分析領域應用非常廣泛，可以進行結構分析、磁場分析、溫度分析、流體力學分析等。雖然其具有一定的模塊造型功能，但相比SolidWorks，ANSYS的造型功能相對較弱。所以，通過SolidWorks對齒輪進行建模，然后通過ANSYS對齒輪模型進行網格劃分、模態(tài)分析，二者配合使用，有效地提高了齒輪模態(tài)分析的效率。

1 基于SolidWorks的齒輪幾何模型建立

圖1 齒輪三維實體模型

通過SolidWorks進行三維幾何模型創(chuàng)建是ANSYS三維分析模型建立的前提條件。SolidWorks提供了Toolbox功能，可以從Toolbox中直接創(chuàng)建齒輪模型，通過對齒輪參數(shù)的設定，得到我們所要建立的三維齒輪模型。具體參數(shù)如下：模數(shù) m=3 mm，齒數(shù) z=20，壓力角 α=20°，面寬=8 mm，變位系數(shù)x=0，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25。三維模型如圖1所示。

2 基于ANSYS的齒輪模型模態(tài)分析

2.1 ANSYS對齒輪模型的網格劃分

SolidWorks對齒輪進行三維實體建模后，將實體文件存儲為gear.IGS和gear.SAT格式。ANSYS12.0可以將gear.IGS和gear.SAT文件直接讀入，轉化成ANSYS的三維分析模型。通過對導入模型的具體參數(shù)設定，達到對齒輪模型的網絡劃分的目的。本次分析過程中，單元類型選用20節(jié)點的三維單元SOLID 186。齒輪網格化的有限元模型如圖2所示，材料參數(shù)設置如下：彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為 0.3，密度為 7.8×103kg/m3。

圖2 齒輪的有限元模型

2.2 齒輪模型的模態(tài)分析

ANSYS對齒輪進行網格劃分后，進行相關約束的設定并求解，最后擴展模態(tài)。ANSYS有限元中提供了7種模態(tài)提取方法：分塊蘭索斯法（Block Lanczos），預處理共軛梯度蘭索斯法（PCG Lanczos），縮減法，阻尼法，非對稱法，QR阻尼法，超級節(jié)點法。綜合分析各種分析方法的特點，本次分析選用分塊蘭索斯法（Block Lanczos）進行模態(tài)提取。具體分析步驟如下：首先選擇模態(tài)分析方法（圖3）和頻率范圍，再施加邊界條件，進行求解。

圖3 選擇模態(tài)分析方法

圖4 分析結果列表顯示

在完成上步求解后，進行模態(tài)擴展設置和擴展求解，分別對數(shù)據(jù)輸出、頻率范圍和結果輸出進行設置并最終求解。齒輪固有頻率為29.939 Hz時，齒輪的位移最大變形量為2.8×10-2mm，齒輪所受最大等效應力點位于齒根處，最大值約為2.32 MPa，小于QT600-3的許用應力（600 MPa），如圖 5、6所示。

圖5 齒輪位移云圖

圖6 等效應力分布圖

3 結語

通過SolidWorks與ANSYS有機結合，利用SolidWorks進行齒輪的三維實體建模，再利用ANSYS導入SolidWorks的實體模型文件，進行網格劃分模態(tài)分析，充分發(fā)揮了兩種軟件的優(yōu)點，減少了ANSYS有限元建模的時間，極大提高了ANSYS對齒輪的有限元分析問題，提高了處理問題的能力。該方法具有很強的實用性，可以進行一定形式的推廣。

通過對齒輪位移云圖、等效應力分布圖以及分析結果的數(shù)據(jù)分析，可以計算出齒輪的固有頻率。這為設計人員合理設計齒輪提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，也為分析齒輪受力情況、解決齒輪動態(tài)缺陷等問題，提供了科學的處理方法。

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