Workbench心得——行星齿轮瞬态动力学分析
workbench瞬态动力分析
积分时间步长
• AUTOTS对于全瞬态分析缺省是打开的. 对于缩 减法和模态叠加法，是不可用的. • AUTOTS 会减小ITS (直到 Dtmin) 在下列情况:
– – – – – – 在响应频率处，小于20个点 求解发散 求解需要大量的平衡迭代（收敛很慢） 塑性应变在一个时间步内累积超过15% 蠕变率超过0.1 如果接触状态要发生变化 ( 决大多数接触单元可由 KEYOPT(7) 控制)
分析选项
• 求解器选择
– 缺省ANSYS选择稀疏求解器 – 对于大自由度问题 (>100000 dofs) 使用PCG法
初始条件
• 初始条件
– 时间t = 0时的条件：u0 ，v0，a0 – 它们的缺省值为， u0 = v0 = a0 = 0 – 可能要求非零初始条件的实例：
• 飞机着陆 (v00) • 高尔夫球棒击球 (v00) • 物体跌落试验 (a00)
分析选项
• 输出控制
–用来控制写到结果文件的内容. –使用命令 OUTRES 或选择 Solution > Sol’n Control.. > Basic –通常的选项用来将每个子步的结果写到结果文件中去.
• 可光滑绘制结果与时间的关系曲线. • 可能造成结果文件庞大.
分析选项
• 瞬态效应 on/off
分析过程
• 讨论完全法瞬态分析过程. • 五个主要步骤:
– – – – – 建立模型 选择分析类型和选项 指定边界条件和初始条件 施加载荷历程并求解 查看结果
模型： 所有的非线性因素可允许注意要求密度！
分析选项
– – – – 进入求解阶段，并选择瞬态分析. 选择完全法 求解选项 阻尼
• 求解方法
– 完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非 线性选项：
ansys_workbench瞬态动力分析(4)分析
积分时间步长
Training Manual
• AUTOTS对于全瞬态分析缺省是打开的. 对于缩 减法和模态叠加法，是不可用的. • AUTOTS 会减小ITS (直到 Dtmin) 在下列情况:
– – – – – – 在响应频率处，小于20个点 求解发散 求解需要大量的平衡迭代（收敛很慢） 塑性应变在一个时间步内累积超过15% 蠕变率超过0.1 如果接触状态要发生变化 ( 决大多数接触单元可由 KEYOPT(7) 控制)
缩减/完整结构矩阵
Training Manual
• 求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； • 缩减矩阵：
– 用于快速求解； – 不允许非线性因素存在 – 根据主自由度写出[K]、[C]和[M]等矩阵，主自由度是完全自由度 的子集； – 缩减的 [K] 是精确的，但缩减的 [C] 和 [M] 是近似的。
Training Manual
DYNAMICS 11.0
• 求解方法
– 完整矩阵方法为缺省方法。允许下列非 线性选项：
• 大变形 • 应力硬化 • Newton-Raphson 解法
• 集中质量矩阵
– 主要用于细长梁和薄壁壳或波的传播
• 方程求解器
– 由程序自行选择
分析选项
• 求解选项 • 选择大位移瞬态分析 或小变形瞬态分析 .
DYNAMICS 11.0
• 完整矩阵：
– 不进行自由度缩减，采用完整的[K]、[C]和[M]矩阵； – 下面的讨论都是基于此种方法。
积分时间步长
Training Manual
• 积分时间步长（亦称为ITS 或 Dt ）是时间积 分法中的一个重要概念
– ITS = 两个时刻点间的时间增量 Dt ； – 积分时间步长决定求解的精确度，因而其数值应仔 细选取。 – 对于缩减矩阵法与模态叠加法瞬态分析ANSYS 只 允许ITS常值. – 完全法瞬态分析， ANSYS 可以自动调整时间步大 小在用户指定的范围内
ansysworkbench瞬态动力学实例
在本文中，我将为您撰写一篇关于ANSYS Workbench瞬态动力学实例的文章。
我们将深入探讨ANSYS Workbench在瞬态动力学仿真方面的应用，从简单到复杂、由浅入深地讨论其原理和实践操作，并共享个人观点和理解。
第一部分：介绍ANSYS Workbench瞬态动力学仿真ANSYS Workbench是一种用于工程仿真的全面评台，包含了结构、流体、热传递、多物理场等多种仿真工具。
瞬态动力学仿真是ANSYS Workbench的重要应用之一，它能够模拟在时间和空间上随机变化的动力学过程，并对结构在外部力作用下的动力响应进行分析。
在瞬态动力学仿真中，ANSYS Workbench可以模拟诸如碰撞、冲击、振动等动态载荷下的结构响应，用于评估零部件的耐久性、振动特性、动态稳定性等重要工程问题。
通过对这些现象的模拟和分析，工程师可以更好地了解结构在实际工况下的性能，进而进行有效的设计优化和改进。
第二部分：实例分析为了更直观地展示ANSYS Workbench瞬态动力学仿真的应用，我们以汽车碰撞仿真为例进行分析。
假设我们需要评估汽车前部结构在碰撞事故中的动态响应，我们可以通过ANSYS Workbench建立汽车前部结构的有限元模型，并对其进行碰撞载荷下的瞬态动力学仿真。
我们需要构建汽车前部结构的有限元模型，包括车身、前保险杠、引擎盖等部件，并设定材料属性、连接方式等。
接下来，我们可以在仿真中引入具体的碰撞载荷，如40km/h车速下的正面碰撞载荷，并进行瞬态动力学仿真分析。
通过仿真结果，我们可以获取汽车前部结构在碰撞中的应力、应变分布，以及变形情况，从而评估其在碰撞事故中的性能表现。
第三部分：个人观点与总结通过以上实例分析，我们可以看到ANSYS Workbench瞬态动力学仿真在工程实践中的重要应用价值。
瞬态动力学仿真不仅能够帮助工程师分析结构在动态载荷下的响应，还可以为设计优化、安全评估等工程问题提供重要参考。
基于Workbench的齿轮齿廓修形研究
基于Workbench的齿轮齿廓修形研究
刘菡华
【期刊名称】《汽车与驾驶维修:维修版》
【年(卷),期】2022()3
【摘要】本文以某一变速器倒挡直齿轮为研究对象,基于齿廓弹性变形原理,对齿轮的啮入和啮出位置进行静力学分析,得到齿轮的应力分布云图及最大的轮齿变形。
齿廓的最大修形量提取分析得到的轮齿最大变形量为依据,选择walker修形曲线,通过计算得到修形长度,从而建构出修形之后的轮齿模型。
最后用瞬态动力学模拟未修形和已修形的齿轮啮合过程,验证修形之后的齿轮接触应力曲线更平顺,啮合状态得到改善。
【总页数】4页(P42-44)
【作者】刘菡华
【作者单位】闽北职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.41
【相关文献】
1.高速渐开线斜齿圆柱齿轮齿廓修形技术研究
2.基于修形插齿刀具的非圆柱齿轮齿廓修形方法
3.渐开线直齿圆锥齿轮齿廓圆弧修形方法研究
4.锥形砂轮齿轮磨削齿廓修形方法研究与改进
5.基于圆柱齿轮齿顶修形的弧线齿面齿轮齿面设计研究
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基于Workbench_的齿轮齿廓修形研究
图1 齿轮副仿真模型图2 齿廓修形参数示意图验公式及有限元法，都可以确定轮齿的最大修形量。
有限元技术建立在弹性力学理论基础上，对具体的工况进行了分析，所得的结果是轮齿接触弯曲、剪切等各种变形的组合，能够准确反映齿轮的应力和变形状态。
本文对大小齿轮的齿顶分别修形，通过有限元提取啮入点和啮出点的变形量，与某一最大修形量经验公式进行对比，分析及过程如下。
图3a是齿轮刚啮入状态，小齿轮是主动轮，带动大齿轮运转。
“1”处为小齿轮某齿刚刚进入啮合时的状态，理想情况下是不存在变形的。
但实际啮合中，由于“2”和“3”处齿面接触弹性变形的影响，小齿轮在啮入的瞬间，大齿轮的齿顶与小齿轮的齿根位置发生少量干涉“Δ”，形成啮入时的冲击。
这个干涉量相当于大齿轮齿顶的修形量。
同理，如图3b所示，“4”处为小齿轮某齿退出啮合的瞬间，受到“1”、“2”和“3”处齿面接触弹性变形的影响。
小齿轮在2.2 齿廓修形曲线与修形长度本文选取walker修形曲线进行修形，修形曲线的方程如下。
式中 L——单双齿啮合区分界点到啮入点（或啮出点）的距离， 即为修形的长度X——啮合点的相对坐标，沿啮合线，原点在单双齿交替 点处Δ——距离为X时的修形量，Δmax为最大修形量建立修形齿轮渐开线模型（图5），用作图法求得齿轮的实际啮合线的长度B B=12.391，求得重合度ε=1.399，则修形长图3 齿轮啮合示意图图5 啮合点相对坐标计算示意图图4 变形量提取结果所以其中,αk为渐开线发生线与渐开线交点所对应的压力角。
图6 定义接触对图8 载荷设置图9 未修形的齿轮啮入、最大应力及啮出状态图10 修形后的齿轮啮入、最大应力及啮出状态图7 网格划分图11 修形前接触应力变化图图12 修形后接触应力变化图载荷和时间步的设置：在大小两个齿轮中心施加一个相对于地面的转动副，设置小齿轮为主动轮，在小齿轮上施加251.33 rad/s的转速，大齿轮上施加201.25 N•m的阻力矩（图8）。
workbench瞬态动力分析
Dx IT20 L 波长方向的长度 c 弹性波速 E 杨氏模量 E
质量密度
非线性响应
• 非线性响应
–全瞬态分析可包括任何非线性类型. – 更小的 ITS 通常有助于平衡迭代收敛. – 塑性、蠕变及摩擦等非线性本质上是非保守的，需 要精确地遵循载荷加载历程.小的 ITS 通常有助于精 确跟踪载荷历程. – 小的ITS可跟踪接触状态的变化.
– 模态叠加法 – 直接积分法
• 运动方程可以直接对时间按步积分。在每个时间点（time = 0, Dt , 2Dt, 3Dt,….) ，需求解一组联立的静态平衡方程 （F=ma）；
– 需假定位移、速度和加速度是如何随时间而变化的， (积分方案选择) – 有多种不同的积分方案，如中心差分法，平均加速度 法, Houbolt, WilsonQ, Newmark 等.
积分时间步长
• 如何选择 ITS? • 推荐打开自动时间步长选项 (AUTOTS), 并设置 初始时间步长Dtinitial和最小时间步长Dtmin 、最 大时间步长Dtmax. ANSYS 会利用自动时间步长 功能来自动决定最佳时间步长Dt. • 例如: 如果AUTOTS 是打开的， 并且Dtinitial= 1 sec, Dtmin= 0.01 sec, and Dtmax= 10 sec; 那 ANSYS 起始采用 ITS= 1 sec ，并依据结构的响 应允许其在0.01 和 10 之间变动.
缩减/完整结构矩阵
• 求解时既可用缩减结构矩阵，也可用完整结构矩阵； • 缩减矩阵：
– 用于快速求解； – 不允许非线性因素存在 – 根据主自由度写出[K]、[C]和[M]等矩阵，主自由度是完全自由度 的子集； – 缩减的 [K] 是精确的，但缩减的 [C] 和 [M] 是近似的。
ansys动力学瞬态分析详解
§3.1瞬态动力学分析的定义瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。
可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。
载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。
如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。
瞬态动力学的基本运动方程是：其中：[M] =质量矩阵[C] =阻尼矩阵[K] =刚度矩阵{}=节点加速度向量{}=节点速度向量{u} =节点位移向量在任意给定的时间，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力（[M]{}）和阻尼力（[C]{}）的静力学平衡方程。
ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。
两个连续时间点间的时间增量称为积分时间步长（integration time step）。
§3.2学习瞬态动力学的预备工作瞬态动力学分析比静力学分析更复杂，因为按“工程”时间计算，瞬态动力学分析通常要占用更多的计算机资源和更多的人力。
可以先做一些预备工作以理解问题的物理意义，从而节省大量资源。
例如，可以做以下预备工作：1.首先分析一个较简单模型。
创建梁、质量体和弹簧组成的模型，以最小的代价深入的理解动力学认识，简单模型更有利于全面了解所有的动力学响应所需要的。
2.如果分析包括非线性特性，建议首先利用静力学分析掌握非线性特性对结构响应的影响规律。
在某些场合，动力学分析中是没必要包括非线性特性的。
3.掌握结构动力学特性。
通过做模态分析计算结构的固有频率和振型，了解这些模态被激活时结构的响应状态。
同时，固有频率对计算正确的积分时间步长十分有用。
4.对于非线性问题，考虑将模型的线性部分子结构化以降低分析代价。
<<高级技术分指南>>中将讲述子结构。
§3.3三种求解方法瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法。
基于ansys workbench的电机行星齿轮结构设计研究与分析
表1电机参数
参数
项目
100 3000 320 380
峰值功率,kW 峰值转速,r/min 峰值扭矩,Nm 额定电流,Arms
参数
150 7800 800 150
表2行星齿轮参数
项目
参数
项目
输入峰值功率,kW 输入极限转速,r/min
150 7800
输出峰值扭矩,Nm
传动效率,（％）
参数 2400
>98
新能源汽车驱动电机技术对衡量电驱动汽车产 品可靠性起着决定性作用，目前市场中常用的驱动电 机有三项异步电机和永磁同步电机，因永磁同步电机 具有效率高、功率因素高、体积小、温升低等明显优 势，所以被广泛地应用于汽车上。基于以上因素，本团 队设计研发一款可稳定持续输出大扭矩、结构紧凑、 可靠性高、维护保养成本低的行星排驱动电机，并借 助ANSYS Workbench平台对其核心零部件结构强度
A ： Static Structural Equivalent Stress
dEpuivalentC von-Misea )StresB
册錨3星期三上午10：37
23.467Max 20.86 18.253 15.646 13.039 10.432 7.8256 5.2188 2.612 0.0051185 Min
进行了仿真计算，在大量参考国内外文献的同时结合 行业经验对行星排结构进行了强度校核，进一步保证 研发设计的可行性。
1电机模型及结构参数
1.1电机模型及方案 设计之初本团队结合永磁同步电机参数及行星
排电机总成输出参数，确定行星排的传动比为3,将 电机轴作为行星排的太阳轮输入，齿圈制动，框架输
出。通过行星排实现
减速增扭，更好地匹
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然后我们就需要对模型添加约束和连接，主要包括有 看下面详述。
在这里首先将三角形的齿轮架给刚化， 因为整个分析中不考虑它的影响， 主要首先拿到模型可以看出这里是个行星轮结构。
考虑齿轮之间的作用。
joints 禾口 frictionl ess con tacts，添加完的效果如图。
添加过程请首先添加三个类似的运动副，都是需要Body-Ground形式。
第一个添加太阳轮的旋转副。
revolute joint 。
Body-ground。
再添加三角架的旋转副。
revolute joint 。
Body-ground。
CAEmMttric Jmm, kq, "4,気 mV, nrA) Degrees再添加内齿圈的固定副。
fixed joint 。
Body-ground 。
Filr- Fdrt Vtew UniE Toe i Hetp Q专皿砖甸tl 诡冏因・)▼ —t1臂斤胃A IB O 1® ■胡▼ 二屮毀題■软匹q ci.罠-科h 営how "i/rrticr 1!W^e+fBrw■ Edg@ "応ring 寿〒 X T J X * 1*1 HEldwn AnnetiiiciME 品切 li lu^iiLL^r»'urd 呼 备肚血 Sody * AR EudL 川5帕 h b匸 ewv&tiym :| K *Qu0mc ji] PT«|«r R jSl Gffnffle4r/± "Au 匚□nrtrtaiE 1 S«fcT*ms U 丿谢 匚汕neetm-s0# 麵 iwi b -毎-寸夸 & ^du * «-(jTDUTd Ta E 「29](±--^3 R E .•cki ■* - Gi QLjnd Tn F [±3]匹、坤 I 亠 JP and 1© A [40] 占"电 *3111 2舟Y 爷 & -FT4U 兀亍PK 审I Ccnlacb・* Fl*KJbElhlE£・ 【勒 To SL+lj. Y X1=低凶理毋・BI] web1 r-a n-Meaiii [B5] t.亘 intel Ccriil 口r-卉di 也W 用卜Srlifch 弼遵伞JcH *阴tabard 帕Pty 刁片垫 Solution LB6J…> _Ll 女Ld 即"n\ “上li* i ； 昨Ew .-ilk i 【9bConrect]«i Type Ecdy-<jrcund T i fxR JVD J utie T^^»jfidl ^Slfr' t JL {I M ITOU *TEidbrull Da 片 屯 N-mmV5uppr 疋 dItrtrwceCc>2rcfan!Ttr Syrtffr- ；^ferr-ic? Ctwrd ~^e z-y^t-r?"5-upir>g MethodGeonwtn甬KI心pe J ismli d 訓％阿0 >Aich«rigvd Behavior RigidPin bail R 強 i”初StDp5・ Qiomndl To R41| J 2Z3：17：ar^i Fl icf He p让0-|<9 亠一-lL^> ^r^iphc!& ArnotabcnsiG 2 Mes^gias Na Se-ectiDH ¥Det a -s cf "Re-vciiJte - SrcMind T e Ff«4l]'Bedy □□□□「■0£D 壬D©D 1OD.CU (imm)柑 mid '■ I r - ■ J MV. p ,< ri"i' i 1. J h- -Hl ■- II ■■ Vir^/T iii.ri -^j -In- i| H M '- T ' 订・儿 ，ir ■ ■'■-* n ； .- I - JI ；I ^4 »'■rf hiim接着添加一个Body-Body的旋转副，也就是三角板与行星轮之间的旋转连接。
revolute 。
Body-Boby。
最后就是两个齿轮之间的接触关系设置。
按照经验，在不考虑齿轮间摩擦的情况下，选择frictionless 接触类型。
i!g B rartsient S?rucnfral - Ve<4v>nica- IANSYS MuHiphy^ c?!z lr E J t H Sil、Jh Hr 2球Solve ▼ C||Q 13 •wori◎二十仓◎讯因a Q笨杨□ ▼| h Show Vertices ^Wireframe II Idgc Coloring /▼ X ▼1*1 H *hidcen Arnctfition?Bcxly-Ground 亍Body-Body ▼ 腐Body View% Q Connect CHS ' '(!- {| 4 Contact ▼ Spot WeldOutiinr9| Project~31 Model (M)3 “⑲ Georetry& 彳人Coordnete Systems三/0 Comet tors B • JonX■*• Refute ・G，0urdTo E[39] J /令RSTCUtE • G"Wd TO F[41].4. ” F>:cd ・Ground To A[n] 自加Jomto 2£ A "a诞£} • CocUctsFctonesfi • E|39J To 3 44J z x F*C»HE£S BM TOAgo] •购Me彷t /樹I (B5) •••/^ Inlifll CandtoHs •…AriJywSritrgs ;.../令 8—YdcctY-.宝SduOon (Bb) 了9 Solutton ：*^orng如Eau^kntS^ewDet^k of •Fnctionle%^ ・ E[39]To B[44J-ScopM Method G«<xnetiy MtctionContactTwpec —ContKt BocSri T IM get Bodin l)SF«n 86 iW B[M]DHInition卯Scope Mode BehavQf S^ppessed Advanced Formulation InteHace Treottnent FrictionkssManualSymmeticNoFrktionless E|39] To B[44|2C12/12/24 22:18Fr aionl•“ -E|39)ToB|<Mlzws®CHxt NofmdiSrftfne5? Updxc stiff ncs: Pintail Region Ti*ne Step Contreii Pure Pcralty ________ _ Add R^mp ng C. mmPFrynConglledNeverProgiynContfollvdNseSection PhfMjs :…倔枷5Me&soges Cr?p*icr Annotatfons]°2 WsqwNo SelectionA5OX：-00.00 (rnrnj2SMIsGcomctryQnrt P*x"x>、ReoortMetric (mm kq. N, s, mV. mA) Degree之后，connections 定义完全后，就可以对其进行网格划分。
网格划分这里完全采用在之间添加了 joi nts 的基础之上，现在可以施加Joi nt load ，这里我们取太阳轮为主动轮，添加一个Rotatio nalVelocity 的 load 。
最后，个人认为也是最关键的，就是对瞬态分析的参数（时间步）进行设置。
Automatic 不详述。
日：Trarrsient Structural Me^luniizjl fANSVS- h*physicsf孑亀匚onnectiaris :二]…* 新 Joints还]“「幸 Rev D I ute - Ground I D E[3^] 用.A 令 RevolJte - Ground To F[41J 宙…丫 'Q Mix^d ・ Ground To A[4CJ 二;一/臺Joirrts 2田,”"金 ftevolute - F[41] ToB[44]-■J Contacts-v t. F=ric(]onles£ ・ E[39J To E[MI -v X Frictonlees - BM To A [40] Mesh7IQ1 Transient (B5)f Initial CondihJoint - Rotational Ve^odtySolution (86]｛丄! Saluti^ri Infermatoor-Equiv^^nt Sti'es^Details of * Analysis Settings*#二Step Ccntrch#Number Of Steps1. ----------------Curre-ntSteo UumlMF L ZCStep End Time0.1 sAuto Time Steppirg6■PpfigFy ____________taf —^3^7 —Initial Time Step25MK^s 「丿Minimunn Time 5trp2,«M3 5 /IMjxjmum Time Ste-p 5.e-(®3 s /Ttrne Integration On- Solver C Q ntrokSolver Type-PrG^nmContr (?ll^dWeak Springs Pr eg ram ControlledLa rge DeflectionC H十Restart Controls+ NcnlinearC^ntrsh+ Output Centre[s* Damping Ce ntre \iiii IT戍户国沪姑£刊＜；血-MathegementTT最后的最后，经过一个半小时的计算，得到计算结果。
帮帮帮帮帮。
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