齿轮模态分析的目的
基于ANSYS直齿圆柱齿轮有限元模态分析
模态号 节径数
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8
157. 7 9547 31526 33341 53151 7727. 6 7727. 6 15233 15233
测试频率/ Hz 7912. 2 9518. 5 31510. 5 33337. 4 53159. 6 7736. 2 7735. 6 15232. 9 15210. 6
3 齿轮有限元模态分析
3. 1 齿轮有限元建摸 采用 在 ANSYS 中直 接建 模
的方法, 考虑到齿 轮在几何形状 上具有循环对称的特征, 在对其 做模态分析时可以采用循环对称 结构模态分析的方法, 因此对齿 轮进行单个齿的局部建模; 为了 简化建模过程, 在 建模过程中采 用标准齿轮, 齿轮 的端面齿形是 将计 算出的齿 廓上各点 用 B 样 条曲线拟合而得到的, 对于齿根 图 1 单 个 轮 齿有 限 过渡曲线, 由于其长度较短, 在建 元模型 模时用圆弧代替。齿轮的几何参数为: 齿数 z2= 39, 模 数 m= 3. 5, 齿宽 b= 20mm。材料属性为: 杨氏弹性模 量 E = 2. 1 @105MPa, 泊松比 L= 0. 3, 材料密度 Q= 7. 8 @103kg/ m3。在划分网格时, 采用 SHELL63 和 SOLID45 的形式( 三角形八节点六面体单元) 。划分网格后的单 个齿形模型图如图 1 所示。 3. 2 加载约束并求解
本文运用有限元法分析了齿轮的固有振动特性, 通过有限元分析软件 ANSYS 分析了齿轮的各阶模态, 得到了其低阶固有频率和对应主振型, 其分析方法和 所得结果可为直齿圆柱齿轮的动态设计提供参考, 同 时也为齿轮系统的故障诊断提供了一种方法。
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。
减速器传动系统模态分析及参数优化1
减速器传动系统模态分析及参数优化1随着现代机械工业的快速发展，减速器作为一种重要的传动装置，在各类机械设备中得到了广泛应用。
减速器传动系统的稳定运行对机械设备的正常工作起着至关重要的作用。
因此，研究减速器传动系统的模态分析及参数优化对于提高机械设备的工作效率和可靠性具有重要意义。
一、减速器传动系统的模态分析减速器传动系统的模态分析是通过计算和仿真得到系统的固有频率以及对应的模态形式。
模态分析可以帮助我们了解系统的振动特性和固有频率分布，进而预测系统的动态响应。
在进行减速器传动系统的模态分析时，首先需要建立系统的有限元模型。
有限元模型可以反映出传动系统的结构特点和材料性能。
其次，利用有限元分析软件进行模态分析，得到系统的固有频率和模态形式。
通过对模态分析结果的分析，可以了解系统的共振现象和动态响应特点。
二、减速器传动系统的参数优化减速器传动系统的参数优化是通过调整系统的设计参数，来改善系统的性能和可靠性。
参数优化的目标是使得系统的工作频率与负载频率匹配，避免共振和失效现象的发生。
在进行减速器传动系统的参数优化时，首先需要明确系统的工作要求和负载特性。
根据负载的频率和工作要求，可以确定减速器传动系统的设计参数。
接下来，通过计算和仿真，可以评估不同参数组合下系统的工作性能和可靠性。
最后，选择最优参数组合，并进行实际测试和验证。
三、减速器传动系统的模态分析和参数优化实例为了更好地理解减速器传动系统的模态分析和参数优化过程，我们以某型号齿轮减速器传动系统为例进行说明。
首先，建立齿轮减速器传动系统的有限元模型。
考虑到系统的复杂性，我们将系统分为齿轮、轴、支承等多个部分，并进行建模。
然后，利用有限元分析软件进行模态分析，得到系统的固有频率和模态形式。
接下来，根据系统的工作要求和负载特性，确定齿轮减速器传动系统的设计参数。
考虑到传动比、齿轮模数、齿数等因素对系统性能的影响，我们通过试验和仿真，评估不同参数组合下系统的工作性能和可靠性。
齿轮箱模态分析和结构优化方法研究_张学亮
齿轮箱模态分析和结构优化方法研究摘 要齿轮箱作为机械设备传动系统中一种必不可少的连接和传递动力的通用部件，其设计水平和制造技术在一定程度上反应了国家的综合国力和市场竞争力，而随着科学技术的快速发展,对其在传递功率大、体积小、重量轻、振动小、噪声低等方面提出了更高的要求。
由于齿轮箱工作环境恶劣，工作时受到来自外部的激励而产生振动；齿轮在啮合过程中会产生冲击，冲击通过轴和轴承传递到齿轮箱体上而引起箱体振动。
箱体振动极易导致齿轮的不对中，引起箱体的疲劳损伤破坏，降低齿轮箱的使用寿命。
由此可见开展对齿轮箱动态特性的研究已显得至关重要。
目前，利用模态分析技术来预估机械结构的动态特性已成为有效途径之一，将有限元模态分析与试验模态分析相结合，利用试验模态分析结果验证和修正有限元模型已成为一种趋势，同时利用现代优化技术对齿轮箱在重量、变形、应力等方面的优化分析也正在日益普遍。
本课题主要开展对齿轮箱的模态分析，以此来预估齿轮箱的动态特性，在齿轮箱有限元模型正确的基础上对其做结构优化分析。
本文首先介绍了结构模态分析和结构优化的国内外研究现状，针对有限元分析理论和试验模态分析理论，以及各种试验模态参数辨识方法，在所建立齿轮箱有限元模型上做有限元模态分析，通过分析有限元模态振型对齿轮箱的影响，调整箱体局部刚度来减小箱体变形。
采用单点激励多点响应的试验模态分析法对齿轮箱做试验模态分析，利用PolyMAX法辨识齿轮箱模态参数。
在试I验模态分析基础上，对比分析模态参数，验证有限元模型的有效性。
最后针对齿轮箱的变形作结构优化分析，以静力学分析结果中的最大等效应力为约束变量，把齿轮箱最小变形量作为优化目标，合理优化箱体结构。
优化结果表明，优化后箱体最大变形量减小了15%，最大等效应力降低了22.5%，提高箱体整体性能。
优化后齿轮箱模态固有频率能够避开啮合频率及其倍频，不会因结构改变而发生共振。
关键词：齿轮箱，模态分析，有限元，优化，ANSYSIISTUDY ON MODAL ANALYSIS ANDSTRUCTURE OPTIMIZATION METHOD OFGEARBOXABSTRACTAs an essential link and transmission power in the transmission system, the Gear Box is a common component of mechanical equipment, its design standards and manufacturing technology to some extent is a reflection of the country's comprehensive national strength and the market competitiveness, and as the rapid development of science and technology, and people put forward a higher demand at transmission power of big, small size, light weight, little vibration, low noise. Due to the poor working conditions, the gear box will vibrate arising from the incentives outside; gear will have an impact in the meshing process, the shock pass through the shaft and bearing to the gear box, which cause the vibration. The vibration of Gear box can easily lead to wrong and the fatigue damage, reducing the life of gearbox. To carry out the study of the dynamic characteristics about gear box has become essential.At present, the use of modal analysis techniques to estimate the dynamic characteristics of mechanical structures has become an effective way, to combine the finite element modal analysis and experimental modal analysis, with experimental modal analysis to testify and correct the finite element modelIIIhas become a trend, while the use of modern optimization techniques in the weight, deformation, stress, etc is increasingly common.The topic focuses mainly on the modal analysis of the gearbox, and predicts the dynamic characteristics of gear box, then do the optimization analysis on a proper finite element model of gear box. This paper describes the structure of modal analysis and structural optimization study of the status quo at home and abroad, and the finite element analysis of theoretical and experimental modal analysis theory, so as a variety of experimental modal parameter identification method, based on the finite element model of gear box, do the finite element modal analysis, by analyzing the impact of the finite element modal shape, adjust the cabinet to reduce the local stiffness of box deformation. Making use of single point of encouraging and multi-response experimental modal analysis to do experimental modal analysis of gearbox, Use the PolyMAX to identify the modal parameters. Based on the experimental modal analysis, compare the modal parameters to verify the validity of finite element model. Finally aimed at the deformation of the gearbox, do the structure optimization analysis. The maximal effect force of statics analysis is bound variables, to minimize deformation of gear box as the optimization objective, reasonably optimize the structure. Optimization results show that the optimized box reduces the amount of maximum deformation of 15%, the maximal effect force is reduced by 22.5%, to improve the overall performance box. Optimized gearbox mode natural frequency to avoid the meshingIVfrequency and its octave, and will not occur the resonance dued to structural changes.KEY WORDS：gearbox，modal analysis，finite element，optimum，ANSYSV目录摘要 (I)ABSTRACT (III)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2课题研究背景 (1)1.3课题研究的目的和意义 (2)1.3.1 课题研究的意义 (2)1.3.2 课题研究的目的 (3)1.4本课题的国内外研究现状 (3)1.4.1 齿轮箱有限元模态分析的国内外研究现状 (4)1.4.2试验模态分析的发展与现状 (5)1.4.3 结构优化的发展与现状 (6)1.5本文主要研究内容 (7)第二章有限元分析理论及其软件应用 (9)2.1引言 (9)2.2有限元分析 (9)2.2.1有限元法 (9)2.2.2 弹性力学理论 (11)2.2.2.1 平衡方程 (13)2.2.2.2 几何方程 (14)2.2.2.3 物理方程 (14)2.2.3 动力学分析理论 (15)2.2.3.1 系统动力学方程 (15)2.2.3.2 振型叠加法 (16)2.2.4模态分析理论 (17)2.2.4.1 自由振动的特征值问题 (17)2.2.4.2多自由度系统的模态分析 (18)2.3有限元软件ANSYS方法 (19)2.3.1 ANSYS分析的基本过程 (19)2.3.2 ANSYS模态提取法 (20)2.4本章小结 (21)第三章齿轮箱有限元模态分析 (23)3.1ANSYS模态分析过程 (23)3.2齿轮箱实体模型的建立和简化 (24)3.2.1 齿轮箱实体模型的建立 (24)3.2.2 齿轮箱实体模型简化 (24)3.3齿轮箱有限元模型的建立 (25)3.3.1 修正几何模型 (25)3.3.2 箱体材料属性的确定 (25)3.3.3单元选择和网格划分 (26)3.4齿轮箱的自由模态计算 (27)3.4.1 边界条件的确定 (27)3.4.2 模态计算结果 (27)3.5齿轮箱约束模态计算 (29)3.5.1 边界条件的确定 (29)3.5.2约束模态计算 (30)3.5.3 约束模态结果分析 (31)3.6齿轮箱的结构改进 (32)3.7本章小结 (34)第四章齿轮箱的试验模态分析 (35)4.1引言 (35)4.2结构模态参数辨识 (36)4.2.1模态参数辨识的频域法和时域法 (36)4.2.2 最小二乘法 (37)4.2.3 试验模态参数辨识法——polyMAX法 (39)4.3模态试验测试系统的建立 (40)4.3.1 测试系统图 (40)4.3.2支撑方式选择 (41)4.3.3测试仪器及分析设备 (42)4.3.4测点布置及测试方案 (43)4.3.5激励信号及激励方式的选择 (43)4.3.5.1激励信号的选择 (43)4.3.5.2 激励方式的选择 (44)4.3.6 激励点的选择 (46)4.4齿轮箱的试验模态分析 (46)4.4.1 试验前的准备 (46)4.4.2 试验过程 (47)4.4.3 频响函数曲线 (47)4.4.4 稳态图 (48)4.5齿轮箱的试验模态分析结果 (48)4.6本章小结 (50)第五章计算模态与试验模态对比分析 (51)5.1相关性分析方法 (51)5.2固有频率与振型对比分析 (52)5.2.1 频率比较 (52)5.2.2 振型对比 (53)5.3误差分析 (53)5.4本章小结 (54)第六章齿轮箱的结构优化分析 (55)6.1引言 (55)6.2AWE中的优化分析 (56)6.2.1 结构优化数学模型的建立 (57)6.2.2 优化方法的选择 (58)6.2.3 AWE分析流程 (58)6.3齿轮箱静力学分析 (58)6.3.1 建模及网格划分 (59)6.3.2 齿轮箱静力学分析结果 (60)6.3.3 优化分析结果 (61)6.4本章小结 (62)第七章结论与展望 (63)7.1结论 (63)7.2课题展望 (64)参考文献 (65)致谢 (69)攻读学位期间发表论文目录 (71)第一章绪论1.1 引言随着改革开放和科学技术的不断发展，国民经济有了迅速增长，其中制造业作为国民经济的一个支柱产业在整个经济中所占比例越来越高。
齿轮箱模态分析和结构优化方法研究
齿轮箱模态分析和结构优化方法研究齿轮箱模态分析和结构优化方法研究摘要：齿轮箱作为一种重要的传动装置，在机械工程中应用广泛。
为了提高齿轮箱的工作性能和可靠性，对其进行模态分析和结构优化是非常必要的。
本文主要探讨了齿轮箱的模态分析方法和结构优化方法，并通过数值模拟和实验验证了这些方法的有效性。
1. 引言齿轮箱作为传动装置的核心组成部分，承担着传递动力和扭矩的重要任务。
在工作过程中，齿轮箱会受到一系列的载荷作用并产生振动。
为了确保齿轮箱的正常运行和延长其使用寿命，需要对其模态进行分析，并通过结构优化提高其工作性能。
2. 齿轮箱模态分析方法齿轮箱的模态分析是通过求解其固有频率和振动模态来了解其振动性能的方法。
常用的模态分析方法包括有限元法、模态实验法和解析法等。
2.1 有限元法有限元法是目前使用最广泛的齿轮箱模态分析方法之一。
该方法将齿轮箱划分为有限个小单元，并在每个单元上建立数学模型，采用数值计算方法求解其固有频率。
通过有限元法，可以快速获得齿轮箱的振动模态，并了解其受力情况和固有频率。
2.2 模态实验法模态实验法是通过实际的振动测试来求解齿轮箱的振动模态。
该方法需要在实际装置上进行加速度传感器的布置和振动测试，通过测量、分析和处理振动信号，得到齿轮箱的固有频率。
模态实验法可以直接反映出齿轮箱在实际工作中的振动情况，具有较高的准确性。
2.3 解析法解析法是通过建立齿轮箱的数学模型，采用解析的方法求解其固有频率和模态。
该方法需要分析齿轮箱的几何形状、材料特性和载荷条件等，通过解析计算得到振动模态。
解析法可以提供精确的解析结果，但对模型的假设和简化要求较高。
3. 齿轮箱结构优化方法针对齿轮箱在模态分析过程中产生的问题，可以通过结构优化方法对其进行优化，提高其工作性能和可靠性。
3.1 结构材料优化结构材料的选择对齿轮箱的模态和振动特性有重要影响。
通过优化选择齿轮箱的结构材料，可以改善其载荷传递性能和抗振动能力。
减速机齿轮的模态分析和研究
减速机齿轮的模态分析和研究摘要：通过分析复杂的建模方法，建立减速机齿轮的三维实体模型，并进一步建立减速机齿轮的三维有限元模型，来分析其系统的固有特性，并获得设计所需的必要数据。
此外，对其进一步的研究和改进，可以避免其结构的共振，亦或者可以使其按照特定的频率进行震动，从而不但可以提高我们的工作效率，还可以提高产品的寿命。
关键词：减速机；齿轮；模态分析目前，在解决工程问题及解决数学、物理问题中，有限元法的应用是相对较广的计算方法。
它的很多特点受到数学界和工程界的高度重视，例如它在多种物理问题上可应用性，它对一些复杂的几何构型的适应性，此外，还有理论上的可靠性，以及对实现计算机的高效性也比较合适。
随着其不断的发展，已经成为CAD 和 CAM 不可或缺的一部分。
目前计算机辅助设计已经广泛的应用于产品设计中的数据计算、几何分析、产品模拟、图样绘制等工作中，其中的三维造型技术为计算机辅助设计中的三维有限元分析提供了很大的方便，为虚拟仿真提供了结构体精确造型的基础。
本文便运用这些技术对减速机齿轮进行了有限元模态分析，从而为减速机齿轮的设计提供了理论依据。
1 减速机齿轮的模型建立建立减速机齿轮时，为了减少转动的惯量，材料上多采用铝合金。
建立减速机构齿轮导入ANSYS 进行分析，忽略局部特征，尽量保持质量单元一致。
但是机体的构型可以不受限制，可以表达其极为复杂的形体，，建立零件信息模型。
比如我们可以利用其各自适应的网格划分，使用统一的精度等级，然后再对局部进行网格细化，便可得出其划分结果，从而简化减速机齿轮的模型建立。
2 采用有限元法建立减速机齿轮模型利用有限元法分析是为了简化计算，不考虑实体模型中的结构特征，例如小孔、倒角、圆角等，可以利用历史树上的SUPPRESS命令去除。
根据结构的实际工作状况、安装条件、装配时的阻尼和结合元性质，建立边界条件。
在做理论模态分析时，只需要建立边界的约束条件。
如果是做静力分析，则还要增加结构载荷，比如集中力、分布载荷等；如果是做响应分析，则需要加入激励工况。
齿轮传动轴的动态特性测试与模态分析
齿轮传动轴的动态特性测试与模态分析引言齿轮传动系统在机械装置中扮演着关键的角色，它通过齿轮的相互啮合传递力与运动。
在实际应用中，齿轮传动轴的动态特性对于确保传动系统的稳定性、可靠性以及寿命都起着至关重要的作用。
本文将深入探讨齿轮传动轴的动态特性测试与模态分析，以提供对传动系统性能优化的基础理论和实践指导。
一、齿轮传动轴动态特性的测试方法1. 强制激励法强制激励法是一种常用的齿轮传动轴动态测试方法，它通过对传动轴施加特定的荷载或力矩，从而观察其自由振动状态下的响应特性。
一般情况下，引入外加力或力矩后，通过合适的传感器采集传动轴的振动响应信号，并将其转化为频谱图分析，可以获得传动轴在不同激励条件下的振动模态。
2. 自由振动法自由振动法是另一种常用的齿轮传动轴动态测试方法，它在没有外界强制激励的情况下，通过对传动轴施加初速度或初位移，观察其自由振动过程中的响应特性。
测试时应尽量降低传动轴的阻尼，以减小振动信号的衰减，并采集振动响应信号进行频谱分析，进而得到传动轴的振动模态。
二、齿轮传动轴的模态分析1. 模态分析的基本原理模态分析是一种通过对某个结构或系统施加激励并测量其振动响应，来研究其特定振动模态的方法。
在齿轮传动轴的模态分析中，通过将传动轴固定在一端，施加激励并测量振动响应，可以得到传动轴的自由振动模态频率、振型和阻尼比等信息。
这些信息对于齿轮传动轴的动态特性和谐波分析等方面具有重要的意义。
2. 模态分析的步骤a. 激励源与传感器的安装：在模态分析实验中，需要选择合适的激励源，如锤击法、电磁激振器等，并通过传感器采集传动轴的振动信号。
传感器通常安装在传动轴的不同位置，以获取全面的振动模态信息。
b. 数据采集与处理：采集传感器测得的振动信号，并对其进行滤波和放大等处理。
通常使用频谱分析方法将时域信号转换为频域信号，得到传动轴不同频率上的振动响应特性。
c. 振型识别与模态提取：通过对频谱图的分析，可以识别出传动轴的振动模态，并提取出相应的模态参数，如频率、振型和阻尼比。
齿轮箱有限元模态分析及试验研究报告
齿轮箱有限元模态分析及试验研究报告齿轮箱是现代机械设备中重要的组成部分，它广泛用于各种机械传动系统中，如车辆、工程机械等。
因此研究齿轮箱的动力学特性对于机械传动系统的设计、优化和性能提升具有重要意义。
本文通过有限元模态分析和试验研究，对齿轮箱的动力学特性进行了分析和研究。
首先进行有限元模态分析，使用ANSYS软件建立了三维齿轮箱模型，并对其进行了固有频率和模态分析。
在分析过程中，设定了模型的约束和加载条件，确保模型模拟的真实性与可靠性。
通过模态分析，得到了齿轮箱的固有频率和模态形态，并且确定出了前几个重要频率的数值。
结果表明，齿轮箱的固有频率主要集中在数百Hz的高频段。
为了验证有限元模态分析结果的准确性，本文设计了试验验证方案。
首先，使用激光精密测量仪对齿轮箱的位移进行测量，并将测试数据存储为动态位移序列。
然后，基于FFT算法对动态位移序列进行频谱分析，得到齿轮箱的频响函数。
最后，通过对比有限元模态分析结果与试验结果，验证模型的准确性和可靠性。
试验结果表明，模型的预测结果与试验结果相符，二者的误差在可接受范围内。
综上所述，本文采用有限元模态分析和试验验证两种方法，对齿轮箱的动力学特性进行了研究。
结果表明，齿轮箱具有较高的固有频率，且主要分布在数百Hz的高频段。
通过试验验证，证明了有限元模态分析方法的准确性和可靠性。
这些结果对于齿轮箱的优化设计、结构改进和性能提升具有重要参考价值。
齿轮箱的有限元模态分析和试验研究，采用了多项相关数据。
在本文中，我们主要关注以下数据：1. 齿轮箱模型的材料性质2. 模型的约束和加载条件3. 模型的固有频率和模态形态4. 齿轮箱的位移测试数据5. 齿轮箱的频响函数6. 模型预测结果与试验结果的误差对于第一项数据，齿轮箱的材料性质是有限元模型分析的关键。
正确的材料参数可以确保分析结果的准确性和可靠性。
在本文中，我们将齿轮箱的材料定义为铸铁，其杨氏模量为169 GPa，泊松比为0.27。
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差速器是汽车传动系统的重要组成部分，它的功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角速度滚动，以保证两侧驱动车轮与地面间作纯滚动运动。
差速器齿轮在传动过程中易受到周期性载荷力的作用。
有可能导致在标定转速内发生强烈共振，动应力急剧增加，缩短齿轮使用寿命，有必要对其进行模态分析。
所谓模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型。
ANSYS模态分析共分为建模、约束及求解、扩展模态、分析结果四步。