基于ABAQUS的齿圈车削数值模拟研究
半轴齿轮的ABAQUS有限元模拟实验
Vol. 33,No. 1Mar. 2021第33卷第1期2021年3月河南工程学院学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN UNIVERSITY OF ENGINEERING 半轴齿轮的ABAQUS 有限元模拟实验徐滨（合肥职业技术学院机电工程学院，安徽合肥238000 ）摘要：车桥半轴齿轮是差速器的重要组成部分,在差速器工作中扮演着十分重要的角色。
针对断裂的半轴齿轮进行断 口形貌、成分及硬度分析，并结合有限元模拟分析齿轮失效的原因。
结果表明：齿轮渗碳层厚度约0.8 mm,渗碳层显微组织主 要为硬度较高的针状马氏体和部分残留奥氏体，硬度达785. 1 N/mm 2 ,表面硬化处理与渗碳处理基本符合工况要求。
通过 ABAQUS 模拟发现半轴齿轮最易断裂处位于齿根最靠近边角的部位，与实际工况吻合。
关键词:半轴齿轮;模拟分析;失效分析;ABAQUS中图分类号:TB115 文献标志码:A 文章编号= 1674 - 330X （2021 ）01 -0059 - 03ABAQUS finite element simulation analysis of half shaft gearXU Bin（School of Mechanical and Electrical Engineering , Hefei Polytechnic University, Hefei 238000, China ）Abstract : Axle gears are an important part of the differential mechanism , and play a very important role in the work of the differ ential mechanism. In this paper, the morphology analysis , composition analysis and hardness analysis of the fractured half-shaft gear are earned out, and the cause of the gear failure is analyzed in conjunction with the finite element simulation analysis. The results show that the thickness of the carburized layer of the gear is about 0. 8 mm. The microstmcture of the carburized layer is mainly needle- shaped martensite with higher hardness and part of retained austenite. The hardness reaches 785. 1 N/mm 2. The surface hardening treatment and carburization treatment are basically meet the requirements of working conditions. Through ABAQUS simulation , it is f （）uncl that the most easily broken part of the half-shaft gear is located at the lowermost comer of the tooth root , which is consistent with the actual working condition where the fracture occurs.Keywords ：half-shaft gear ； simulation analysis ； failure analysis ； ABAQUS差速器的精度和可靠性是国内研究的难点。
基于abaqus的齿轮模态分析
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 andvibration model was extracted by using Lanczos algorithm ,providing support for the optimization design of gear.Key words: modal analysis; ABAQUS; natural frequency; vibration mode0引言齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。
基于Abaqus的齿轮传动系统模态分析
优化、设计等提供依据ꎮ
[Ｃ]、[Ｋ]均为对角矩阵ꎬ这就要求恰当地选择变换矩阵ꎮ 根
对于多自由度无阻尼自由振动系统ꎬ其运动方程为:
[ Ｍ] { ｘ¨ } ＋ [ Ｋ] { ｘ} ＝ {０}
ABAQUS非稳态切削仿真实例 1
本次切削采用拉格朗日准则+失效准则的方法建立切削仿真。
下面就分为几个部分分别介绍一下建模要点以及注意事项！1.建模建模过程其实没什么说的，就是一个工件，一个刀具，工件在这里就采用普通的长方形，刀具为了考虑磨损的影响，设置了一定的磨损量。
为了后面定义接触和材料方便，在此采用网格划分后的creat mesh part模型。
2.材料定义虽然在此处没有分离线的，但是这里在定义材料属性的时候，应该为其中一层网格定义失效准则。
材料定义都很简答，包括弹性模量，泊松比，热膨胀系数，热传导率，比热，密度等常规量，而且应该基于JC 塑性流动准则，定义工件的塑性，至于内部参数的具体含义，我在上个讲座已经阐述的比较清楚，在此不再多说。
本次仿真模拟采用的是shear damage，因为切削材料是52100，其JC damage当然也可以采用，在此只是强调一种方法而已，而且shear damage是和基于一个实验和温度相关的，从而使得结果的仿真更加符合实际。
3.装配这个我想大家都会的，就是根据你的切削用量，确定工件和刀具的相对关系，然后调整刀具和工件就可以了。
4.设置分析步这个大家应该也不陌生，就是选择动态热力耦合分析步就行了，当然也可以采用绝热分析，绝热情况下更有利于锯齿切屑的形成，但是由于本次仿真就是难加工材料，而且仿真容易产生锯齿，为了更好模拟切屑的形成，本次采用热力耦合分析步进行切削仿真分析，在输出步记住选择所输出的内容，而且要注意一定勾选state一栏，因为在此我们采用的是拉格朗日+失效准则，设置这个能够看到最终失效的网格。
5.接触的定义在此接触的定义是非常关键的一个环节，如果定义不当，很容易出现问题，为了更好地仿真切削过程，在此仅建立三个接触关系，即后刀面与切削层和前刀面与切屑层（此处指可能产生切屑的层）以及切屑的自接触，由于此处是整体建模，比基于分离线，切屑，工件的模型，大大简化了切削的接触设置，而且仿真中发现切削过程的摩擦和刀具工件以及切屑之间的面传导率对最终切屑的形成具有重要影响，因此本次仿真结合试验，采用摩擦系数0.35，并且后刀面和工件，前刀面和切屑均建立面面热传导率，而且根据文献分别设置了相应的热流分配系数。
基于ABAQUS的Ti6Al4V切削仿真研究
其 中： △ ￡为材 料 积分 点 处 等 效 塑 性 应 变 增 量 ； ｅ 为 材
料 失效 应 变 。
表 １ 钛合金 Ｔ ｉ ６ ＡＩ ４ Ｖ的 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — Ｃ ｏ ｏ ｋ模 型 参 数
当ｃ ｃ ， ＞１ 时积 分点 处 的所 有 材料将 会失 效 ， 网格单
系数 为一 固定值 。远 离此 区域 的刀具 与切 屑接 触 区域 称 为 滑动摩 擦 区域 ， 滑 动摩 擦 区域 摩 擦 力 与正 应 力 有
其中： ｄ ～ 为 材料 参数 ， 具 体数 值 如表 ２所 示［ ５ ］ ；
为 压应力 与 Ｍｉ ｓ ｅ ｓ 应力 的 比值 。
表 ２ Ｔ ｉ ６ Ａ１ ４ Ｖ的 Ｊ － Ｃ模 型 中 ｄ 。 ～ 比 参 数 值
其 中： 为等 效 应 力 ； Ａ 为 材 料 在 准 静 态 下 的屈 服强
度； Ｂ 为 材 料 的 应 变 硬化 系数 ； 为应 变 强 化 指 数 ； ｅ 一
为塑 性应 变 ； 为塑性 应 变率 ； Ｃ为材料 应变 速率 强 化 项系 数 ； 。为参考 应变 率 ； ｍ 为 材料 热软 化 系数 ； 丁 。为 参考 温 度 ； Ｔ 为熔 点温 度 ； Ｔ 为工 件 的瞬 时温 度。 Ｔｉ ６ Ａ１ ４ Ｖ的 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — Ｃ ｏ ｏ ｋ材 料 模 型 参 数 如 表 １所
Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — Ｃ ｏ ｏ ｋ模 型为 ｊ ：
： ， ｒ 一 １ 、
［ １ 一ｄ （
） ］．
（ ３ ）
Ｏ ＂ １ 一（ Ａ＋Ｂ（ ￡ ） ） （ １ ＋Ｃ ｌ ｎ ） ［ １ 一（ ） ］．（ １ ） ￡０ 』 ｍ ｅ ｌ ｔ一 一 上 ０
基于ABAQUS的PDC钻头切削齿温度场分析与仿真
中 ， 分 方程 的求 解 一 般 只 能 采用 数 值 计 算 的 方 法 ， 且 微 而
条 件 要 求 较 高 ，如想 要 知 道 每 一 时 刻具 体 的温 度 变 化 量
ＡＡＵ Ｂ Ｑ Ｓ有 限元 分 析 软件 ， 择 适 合岩 石 的 Ｄ ｕｋｒＰａｅ 选 ｒｅｅ— ｒｇｒ
模 型 以及破 坏 准 则 ， 确 的预 测 破 岩 过 程 温度 场 、 力场 准 应 的分 布情 况 ， 论前 倾 角对 温 度场 的 影 响【 ，１ 讨 ６ １。 ， ２ ７ １ 切 削齿 摩擦 热 理 论 １ １热 传 导分 析 １ ． ” １
切 削过 程 中的温 度 场 ，并讨 论 在切 削过程 中摩擦 产 生 的 热在 切 削齿 后 倾 角 的 温度 分 布 和磨 损 平 面的 温度 分 布 情 况 。 真 分析 结 果 能真 实地 表 明在 切 削齿 与 岩石 作 用过 程 中的 温度 场 、 力场 的 分布 情 况 ， 以后 Ｐ 仿 应 为 ＤＣ钻 头
～
Ｇｏ ｋ ｌ ａ等 人 认 为 ： 有 一 定切 削 速 度 的切 削 齿在 垂 直 ｗ 具
响 因素 都予 以考虑 。 于传 热 问题 ， 以 由 Ｆｕ ｅ传 热 定 对 可 ｏｒｒ ｉ
律 和能 量守 恒 定律 推 出传 热 问题 的微分 方 程 ，
！一 一 ｒ ｒ＋ ｒ＋ ｒ １ ＿ ＿ ＿＋ ｒ １
的设 计提供 有效 的依 据 。 关 键 词 ： ＤＣ 钻 头 切 削 齿 温 度 场 仿 真 Ｐ
引 言
（ ） 削 齿一 岩 石摩 擦 接 触 面产 生 的热 流 密 度 １切 根据 傅 里 叶定 律 ， 擦生 热 在接 触 面 上产 生 的 热流 密 摩 度 ｑ与温 度 Ｔ的关 系为 ：
基于ABAQUS的轴承-齿轮系统模态分析
基于ABAQUS的轴承-齿轮系统模态分析摘要建立轴承-齿轮系统的有限元模型。
齿轮啮合等效为弹簧-阻尼系统,并研究轴承和齿轮啮合的等效平均刚度和阻尼。
在ABAQUS软件中计算了轴承-齿轮系统的模态,最终为有限元分析提供一种新的思路。
关键词有限元法;ABAQUS;模态分析;轴承齿轮系统ABAQUS为用户提供了广泛的功能,且使用起来又非常简单。
大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。
例如,对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。
在大部分模拟中,甚至高度非线性问题,用户只需提供一些工程数据,像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。
在一个非线性分析中,ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。
他不仅能够选择合适参数,而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。
用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。
由于轴承-齿轮系统的每一级传动均是通过二级齿轮减速实现,是典型的齿轮系统。
在齿轮系统中齿轮副啮合效应、齿侧间隙、轴的弹性、轴承径向刚度和轴承径向间隙等因素相互耦合并影响了系统的动态特性,设计过程中要综合考虑这些因素,孤立地研究某一因素,都不能从整体上对系统进行把握。
通过该有限元的试验方法,设计人员可以综合考虑影响齿轮系统动态特性的各种因素,在产品的设计阶段就对产品的性能和存在的问题一目了然,从而为产品的改进设计提供了有效的技术途径,并且大大减少了物理样机试制的时间和研制经费的投入,提高了设计效率。
1理论依据本文中对轴承-齿轮系统的分析,主要是在非线性范围内进行,所以考虑采用Abaqus作为求解器。
Abaqus不仅功能强大,而且具有很高的软件兼容性,能为前处理完毕之后计算工作的提交带来诸多方便,此外,其求解结果经过简单转换就能被Hypermesh所读取,能为整个工作带来很大的便利。
2轴承-齿轮系统有限元模型建立该有限元模型以六面体单元、四边形壳单元为主,还有少部分的连接单元、弹簧阻尼单元、刚性单元。
基于ABAQUS单颗磨粒磨削螺旋锥齿轮有限元分析
DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2020.07.004基于ABAQUS 单颗磨粒磨削螺旋锥齿轮有限元分析从宝刚1,韦尧兵1,刘俭辉1,吕 鑫1,程金辉2(1.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)(2.中原内配集团股份有限公司,河南焦作 454000)摘要:螺旋锥齿轮的磨削加工是一个复杂的过程,对单颗磨粒磨削工件的过程进行仿真研究对研究螺旋锥齿轮复杂的磨削过程具有重要意义。
利用有限元分析软件ABAQUS 建立单颗磨粒磨削加工螺旋锥齿轮的二维正交仿真模型,根据Johnson -Cook 力-热耦合数学本构模型建立45钢在一维应力状态下的本构方程,对单颗磨粒磨削过程进行仿真,分析磨屑的形成过程以及对工件表面质量的影响,得到工件在磨削过程中的等效塑性应变云图、应力云图与温度图;探究磨削过程中不同磨削速度、磨削深度参数对等效应力的影响,结果表明,磨削深度是影响螺旋锥齿轮磨削表面质量的重要因素;定性分析了磨削后工件表面的残余应力,为螺旋锥齿轮磨削表面质量的研究提供了理论依据。
关键词:螺旋锥齿轮;ABAQUS 仿真;Johnson -Cook 力-热耦合;磨削深度;等效应力中图分类号:TH161;TH132 文献标识码:A 文章编号:2095-509X (2020)07-0019-06 螺旋锥齿轮因其具有重叠系数大、传动平稳、承载能力强、传动比高、结构紧凑、耐磨损、噪声小等优点,广泛应用于汽车、能源、矿山机械、装备制造及交通等领域中,对其精密加工一般采用数控磨削[1]。
由于磨削加工后的工件表面硬度高、质量好、使用寿命长,因此一般把磨削作为螺旋锥齿轮加工的最后一道工序。
螺旋锥齿轮其齿型呈空间螺旋结构,国际上通用的齿制有3类:圆弧收缩齿、摆线等高齿、准渐开线齿,加工这3种齿制齿轮的机床分别为Gleason 系列机床、Oerlikon 系列机床和Klingelnberg 系列机床。
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摘 要： 齿 圈为传动 系统中典型高精 度弱刚度 ， 本文针对该典 型零件建立 了三 维有限元模 型。 工件采 用 了弹塑性材料
模型， 而刀具采 用刚性材料模 型 ， 利 用商业化软件 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ ， 对所建 立的模 型进行 了有 限元 分析 ， 得到 了齿圈车削时切 屑 的形成过程、 切 削热 的分布 以及切 削力变化规律 ， 将部分 结果 与理论规律做 了比较 ， 发现他们是吻合的。
一
从工艺优 化角度对 齿 圈加工进行 数值 仿真 ，运用
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 软件分析切屑 的形成过程 、切削参数对切 削力和切削热分布 的影 响规律 ， 并与经验 、 理论作对
比， 以验 证该 模 型 的有效 性 。
ｏ ｒ Ａ ［ 【 ＋ Ｂ Ｇ Ｐ ） 】 Ｊ ［ Ｉ ｌ ＋ Ｃ １ ｌ ｎ ［ ｌ 熹１ ｌ 】 Ｉ （ １ 一 — ７ ） （ １ ）
ｄ （ ） Ｉ ４ ４ ． ５ ｌ ５ ０ ２ Ｉ ６ ０
表 ２ 优质合金钢 ４ ０ Ｃ ｒ Ｎｉ Ｍｏ的线膨胀 பைடு நூலகம்数
（ ℃） Ｉ ２ ９ ３ ｌ ５ ２ ３ Ｉ ７ ７ ３
（ ） （ １ ０ ℃） ｌ １ ２ ． ３ ｌ １ ２ ． ６ ｆ １ ３ ． ７
０
图１ 齿圈实际样件和三维模型
于二维切削加工数值模 拟主要集中对切削机理 的研
究 ２ 】 。 相对二维切削模拟研究而言 ， 三维切削加工的 齿 圈实 际样 件 和 三 维模 型 如 图 １ 所 示 。齿 圈 直 有 限元 模 拟 更 接近 问题 的物 理 状 态 ，更 具 有实 际意 径 ３ ７ ８ ｍ ｍ， 宽度 ８ ０ ｍｍ， 厚度 ４ ０ ｍｍ。材 料 为合 金 义。 Ｌ ｉ ｎ ｔ 一 ４ 】 等人利用三维弹 一 塑性斜角切削模型模拟 结 构钢 ４ ０ Ｃ ｒ Ｎ ｉ Ｍ ｏ ，弹性模量为 ２ ０ ８ Ｇ ｐ ａ ，泊松 比为 了切 削 过 程 ， 研 究 了不 同切 削 速度 对 切 屑流 出角 、 切 ０ － ３ ， 密度为 ７ ８ ５ ０ ｋ ｇ ／ ｍ ３ 。材料 的基 本特 性如 表 １ 和 表 削力 、 切屑和工件表面的应力和温度分布等 的影响 ； ２ 所示。 刘伟悯 等基于 Ｄ Ｅ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ 一 ３ Ｄ运用有 限元法对 车削低 表 １ 优质合金钢 ４ ０ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ的 材 料 特 性 碳 钢 过 程 中切 屑 的变形 系数 、工件 与刀 具 的温 度 分 线膨胀系数ａ （ １ ０ ￣ ／ ￣ Ｃ ）ｌ 热导率ｋ （ Ｗ ／ （ ｍ Ｋ ） ）ｌ比 热ｃ （ Ｊ ／ （ ｋ ｇ ＂ Ｃ ） ｌ热传导系数（ Ｎ ＭＴ Ｉ ｒ ｒ ）
在切削加工 中，切削温度的升高主要是 由局部 响因素 ， 研究切削参数对切削力 的影响规律 ， 对 于理 的能量耗散引起 的。从图 ４ 看 出切屑上 的最高温度 解金属的切削过程具有重要的意义。粗加工过程 中， 并 不 是在 刀 刃 上 。而 是 在离 刀 刃 有一 定 距 离 的前 刀 多采用大切深 、 大进 给的切削方法 ， 所 以在此次分析 面与切屑 的接触 区中。这是 由于切屑沿着前刀面流 中 ， 保持 切 削 深度 为 ５ ｍｍ， 进给量为 ２ ｍ ｍ ／ ｒ 不变 ， 改 动， 使得刀屑间的挤压和摩擦而使得切削温度上升 ， 切 屑表 面 的温度 来不 及 冷却 造成 温度 进 一步 上 升 。
１ ． １ 材 料模 型
材料本构方程用来描述材料的力学性质 ，表征 虽然关于切削的研究 已做 了很多 ，但针对齿 圈 材 料 变形 过程 中的动 态响 应 。 本文 利用 Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ — ｃ ｏ ｏ ｋ 这一 特 殊 结 构 的零 件 ， 其 研 究者 相 对 较少 ， 实 际 生产 材料 模 型 ， 该 模 型是 一 个 能反 映流 动应 力 与 应 变 、 应 中工 艺 人 员 大 多是 根 据 工作 经 验 编 写加 工 工序 和制 变率 、 温 度等 变形 参数 之 间 的数学 函数关 系 的模 型 。 定加工参数 ， 生产效率和生产合格率并不高。本课题
＝
其中，
一
一
．
’
一
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ — ０ ６ — ０ ８ 作者简介 ： 王菲菲（ １ ９ ９ ０ 一） ， 男， 硕士 ， 主要从事切削加工工艺方 向研究 。
８ ６
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ９， ２ ０１ ４
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ９， ２ ０ １ ４
基 于 ＡＢ Ａ ＱＵ Ｓ的齿 圈车削数 值模 拟研 究
王菲 菲 ， 卢继平 ， 张纯喜 ， 庞 璐
（ 北京理工大学机 电系统与装备研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ）
关键词 ： 齿 圈； 有限元分析 ； 切 削力
中图分类号 ： Ｔ Ｇ５ １ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ（ ２ ０ １ ４） ０ ９ — ０ ０ ８ ６ — ０ ４
齿圈在车辆传动 系统研 发中 占有重要地位 ， 受 １ 工件材料模型 和几何模型 空间约束和工作使命特殊要求 ，其结构采用薄壁设 计， 且加工精度要求高 ， 属于高精度弱刚度结构件 。 在加工 中， 工件对切削参数 、 振动 、 装夹方式等十分 敏感 ， 易 变形 ， 影 响加 工 精度 和 加工 效率 。 数 值模 拟 已成 为 研 究 加 工 过 程 的 主 流 方 法 ， 关