基于ANSYS软件的齿轮疲劳有限元分析报告

一、概述

    本次大作业主要利用ANSYS软件对齿轮的疲劳进行分析,计算出齿轮的最大寿命。然后与实际情况进行比较,证明分析的正确性,从而为齿轮的优化分析提供了充分的理论依据，并且通过对ANSYS软件的实际操作深刻体会有限元分析方法的基本思想，对有限元分析方法的实际应用有一个大致的认识。

二、问题分析

如下图所示为某齿轮三维模型，参考图示形状，自定义尺寸，并建立一对啮合齿，施加50N*M扭矩进行齿轮接触分析，随后进行疲劳分析，分析齿轮寿命，材料为40Cr。

图1 齿轮

三、有限元建模

寿命分析之前需要进行强度分析，在Windows“开始”菜单中执行ANSYS—Workbench命令。创建项目A，进行静力学分析，双击左侧的static structure即可

图 1 强度分析项目

如图 2所示，40Cr材料的杨氏模量为2.1e11Pa，泊松比为0.3，密度7800kg/m3，两对齿轮的材料一致。

图 2 材料定义

双击Geometry进入几何模型建立模块，进行几何建模。只需要建立齿轮的端面然后拉伸即可，另一对齿轮采用该齿轮进行对称偏移获取，首先建立齿轮端面草绘，为保证结构对称，只建立一半截面，如下图所示：

拉伸截面，并对称建立整个单齿，如下所示：

同理建立另一齿轮，最终模型如下所示

进入Workbench进行材料设置，其中齿轮分别设置材料为结构钢。进行网格划分，设置网格尺寸为2mm，最终有限元网格模型如下图所示：

图7 网格设置

图8 网格模型

模拟实际情况，从动齿内圈固定，主动齿施加扭矩，如下图所示

图9 载荷约束

四、有限元计算结果

（1）位移变化，如图 12所示，结果最大变形为0.2mm，

图 12 位移云图

（2）等效应力计算结果，如图 13所示，最大等效应力为467.4MPa

图 13 等效应力云图

添加Fatigue tool进行疲劳分析，Fatigue设置如下

寿命云图如下所示，应力最大区域，寿命最小，该齿轮最多可以使用14794次，此后便会发生裂纹破坏。

五、结果正确性分析

    通过计算结果来看，理论结果显示与实际情况基本一致，可以初步认定结果正确，所采用的基本假设和力的施加方式等没有出现问题。

六、改进分析

齿轮和齿轮采用绑定接触连接，认为齿轮和齿轮之间无相对滑移，实际情况齿轮啮合有可能存在滑动，而绑定接触不考虑滑动，所以可以将此处的接触改进为摩擦接触进行改进分析。

七、总结及体会

通过本次大作业，我了解了ANSYS软件的界面和基本功能，初步掌握了使用ANSYS软件求解问题基本步骤；初步掌握了使用ANSYS软件求解各种基本结构类型的静力学问题的方法。通过使用有限元分析法可以变连续结构为离散结构,取代了传统的理论分析。

通过ANSYS软件可以比较精确地反映结构各位置的受力情况，对于复杂模型很难通过理论计算进行校核所有区域的强度，而有限元可以很好的实现这一情况，可以为实际工程设计提供指导帮助。