基于ANSYS的齿轮瞬态动力学分析
瞬态动力学分析
第16章瞬态动力学分析第1节基本知识瞬态动力学分析，亦称时间历程分析，是确定随时间变化载荷作用下结构响应的技术。
它的输入数据是作为时间函数的载荷，可以是静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用。
输出数据是随时间变化的位移及其它导出量，如：应力、应变、力等。
用于瞬态动力分析的运动方程为：M KJ+ C KJ+ K K}= F （t）}其中：式中［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵。
所以在瞬态动力分析中密度或质点质量、弹性模量及泊松比、阻尼等因素均应考虑，在ANSYS分析过程中密度或质量、弹性模量是必须输入的，忽略阻尼时可以选忽略选项。
瞬态动力学分析可以应用于承受各种冲击载荷的结构，如：炮塔、汽车车门等，应用于承受各种随时间变化载荷的结构，如：混凝土泵车臂架、起重机吊臂、桥梁等，应用于承受撞击和颠簸的办公设备，如：移动电话、笔记本电脑等，同时ANSYS在瞬态动力学分析中可以使用线性和非线性单元（仅在完全瞬态动力学中使用）。
材料性质可以是线性或非线性、各向同性或正交各项异性、温度恒定的或温度相关的。
分析结果写入jobname.RST 文件中。
可以用POST1和POST26观察分析结果。
ANSYS在进行瞬态动力学分析中可以采用三种方法，即Full（完全）法、Reduced （缩减）法和Mode Superposition （模态叠加）法。
ANSYS提供了各种分析类型和分析选项，使用不同方法ANSYS软件会自动配置相应选择项目，常用的分析类型和分析选项如表16-1所示。
在瞬态分析中，时间总是计算的跟踪参数，在整个时间历程中，同样载荷也是时间的函 数，有两种变化方式：Ramped :如图16-1（a ）所示，载荷按照线性渐变方式变化。
Stepped :如图16-1（b ）所示，载荷按照解体突变方式变化。
表16-2常用的分析类型和分析选项 Full （完全）法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应。
功能最强大，允许包括非线性的类型。
ansys动力学分析简介
教程目标
培训（教程）结束后，您将能够利用ANSYS做以下工作： • • • 模态、谐波、瞬态和谱分析的前处理、求解和后处理 重启动允许从已存在载荷历程的时间点或恢复不收敛的求解继续求解 使用模态叠加方法可以减少瞬态或谐响应分析的求解时间
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
•
•
使用模态综合法求解大模型模态
动力学
A. 定义、目的和特点
什么是动力学分析？ •
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
用来确定惯量（质量/转动惯量）和阻尼起重要作用时结构或构件动力学 行为的技术 通常有两类研究对象：一类是在运动状态下工作的机械或结构，另一类 是承受动力载荷作用的工程结构 。
•
•
“动力学行为” ，如：
1-21
动力学 - 基本定义和术语
…建模注意事项
非线性（大变形，接触，塑性等等） • • 仅在完全瞬态动力学分析中允许使用。
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
在其他动力学类型中（如模态、谐波分析、频谱分析以及简化的模态叠 加瞬态分析等），非线性问题均被忽略掉，也就是说，在整个求解过程 中一直保持最初的非线性状态。
培训手册
Ansys80动力学培训教程——段志东制作
可轻松处理非线性问题（无收敛问题 ） 积分时间步Dt 必须很小(1e-6或9 秒较 典型） 对于短时间的瞬态分析有效，如波的 传播、冲击载荷以及高度非线性问题 （如金属成型） 这种方法不是我们主要讨论的。它将 在ANSYS-LS/DYNA 中详细讲解。
1-18
动力学 - 基本定义和术语
…求解方法
隐式求解方法 • • • • • 要求矩阵求逆 非线性要求平衡叠代（收敛问题） 积分时间步Dt可以很大，但由于收敛问 题而受到限制。 除了Dt 要求很小的情况外，隐式积分法 对多数问题都有效。 这种方法是我们主要讨论的。 • • • • 显式求解方法 不要求矩阵求逆
基于ANSYS软件的齿轮疲劳有限元分析报告
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 2 强度分析项目如图 3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 3 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3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。
基于齿轮加工原理的精确建模及ANSYS有限元分析
”
故精确 构 建齿 轮模 型 是其
的运 动 参 数 建 立 运 动 模 型
4 )
本 文 基 于 齿 轮 加 工 原 理 利 用 P r o ／E 的 机
，
分析运 动
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生 成分析结果
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构 运 动 仿真 功 能精 确 构 建 出 了齿 轮 模 型 与 A NS Y S 的接
对 齿轮在
和研 究
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一
然 后 利 用 P r 0 ／E
一
[4 ]
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E 本文通 过 Pr o ／
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齿 轮 是 机 械 中最 重 要 的零 件 之 传动效 率高 据统计
， 、
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它具有功率范 围
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中 的 机 构 运 动 仿 真 功 能 创 建 了 直 齿 圆 柱 齿 轮模 型
2 1
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齿轮的建模步骤
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该 软件 与有 限元 软 件接
一
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并在装 配
基于Ansys Workbench的齿轮副有限元分析
针齿中心圆半径r p根据经验公式：式中，前面系数取则，取。
④齿宽=150mm，前面系数取0.11偏心距，短幅系数，针齿半径rp=6.97mm，取r rp=7mm因，则最小曲率半径：计算得到，则，顶切。
⑧针径系数，计算得到K针齿销跨度L=3.5b c，计算得到齿面接触强度校核最大载荷，计算得到齿面接触强度计算。
根据赫兹公式，齿面接触应力按下式计算：1）当量弹性模量E e：摆线轮的弹性模量E1和针齿的弹性模量的弹性模量，故。
2）当量曲率半径ρei，得：令，，则：，且，故：3）任意瞬间针齿与摆线轮接触点的法向压力综上可得：令，Y1随K1、K2、z c以及接触的位置θbi不同而变化，当K1、K2、z c一定时，必有某个=θk使Y1达到最大值Y1max：则：根据插值法取Y1max=1.95。
代入数图3箱体图4装配体内部结构图1行星轮图2摆线轮4齿轮副有限元分析针对风电变桨减速器结构，对代表性的齿轮副进行了有限元模型的建立和分析，其中包括一对外啮合齿轮副、摆线轮与针齿接触副。
4.1外啮合齿轮副建立外啮合齿轮副的实体模型，并导入ANSYS中，应用Swept Meshing（扫掠法）进行网格划分，网格模型共计25140个单元，29010个节点，外啮合齿轮副有限元模型如图5所示。
图5外啮合齿轮副网格图外啮合齿轮副计算模型边界条件为：主动轮z1施加扭矩载荷，径向和轴向施加零位移约束，可绕中心线转动；动轮z2的切向、径向和轴向均施加零位移约束，边界条件如图6所示。
图6外啮合齿轮副边界条件4.2摆线轮与针齿接触副将建立的实体模型导入ANSYS Workbench中，建立摆线轮与针齿接触副有限元模型，应用Hex Dominat行网格划分，共计116254个单元，455334个节点，网格模型如图7所示。
图7摆线针齿网格图摆线轮与针齿接触副有限元模型分析边界条件为：齿外圈切向、径向和轴向均施加零位移约束；分布的轴承孔面径向和轴向施加零位移约束，所示。
ansys动力学分析全套讲解
ansys动力学分析全套讲解第一章模态分析§1.1模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。
同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。
前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。
任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。
ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。
阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。
后面将详细介绍模态提取方法。
§1.2模态分析中用到的命令模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。
同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。
后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理方式运行ANSYS时）。
而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例分析的步骤。
（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅<<ANSYS建模与网格指南>>）。
<<ANSYS命令参考手册>>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。
§1.3模态提取方法典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：其中：=刚度矩阵,=第阶模态的振型向量（特征向量）,=第阶模态的固有频率（是特征值）,=质量矩阵。
齿轮有限元分析
2 ANSYS 准备工作.................................................................................................................- 4 2.1 ANSYS 安装与启动........................................................................................................- 4 2.1.1 许可证服务器安装............................................................................................ - 4 2.1.2 主程序安装.......................................................................................................- 5 2.1.3 启动许可证服务器............................................................................................ - 7 2.1.4 ANSYS 启动与配置............................................................................................. - 8 2.2 设置工作目录............................................................................................................ - 10 2.3 指定作业名与分析标题.............................................................................................. - 10 2.3.1 指定作业名..................................................................................................... - 10 2.3.2 指定分析标题..................................................................................................- 11 2.4 定义图形界面过滤参数....................................................................................... - 11 2.5 ANSYS 单位制...................................................................................................... - 12 2.6 选取和定义单元................................................................................................. - 13 -
基于改进运动学法和瞬态动力学的谐波齿轮新型齿廓设计研究
2023年第47卷第11期Journal of Mechanical Transmission基于改进运动学法和瞬态动力学的谐波齿轮新型齿廓设计研究邓杨1,2何雪明2,3李鹏超2牟彦铭2（1 内江职业技术学院智能制造与汽车学院，四川内江641199）（2 江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）（3 江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122）摘要为了提升谐波减速器的啮合性能、改善机器人的工作性能，提出了基于改进运动学法和瞬态动力学的谐波齿轮新型齿廓设计方法。
首先，针对公切线双圆弧齿廓和S型齿廓的特点，提出了由S型齿廓和公切线双圆弧齿廓相结合的新型柔轮齿廓；其次，基于改进运动学法计算了共轭刚轮的齿廓，并运用瞬态动力学方法对比分析了在不考虑塑形变形情况下齿廓谐波齿轮的啮合侧隙和柔轮应力。
对比分析发现，在不考虑塑形变形情况下，新型齿廓谐波齿轮具有更小的啮合侧隙和等效应力，最小啮合侧隙仅为0.003 6 mm，给定负载工况下最大等效应力仅为1 211.6 MPa，与双圆弧齿廓柔轮、S型齿廓柔轮、公切线双圆弧齿廓相比都明显降低；新型齿廓设计方法可有效改善谐波齿轮的传动性能，为高性能谐波齿轮设计奠定了理论基础。
关键词谐波齿轮改进运动学瞬态动力学新型齿廓设计啮合性能Research on a Novel Tooth Profile Design of Harmonic Gears Based on ImprovedKinematics and Transient DynamicsDeng Yang1,2He Xueming2,3Li Pengchao2Mu Yanming2(1 School of Intelligent Manufacturing and Automotive, Neijiang Vocational & Technical College, Neijiang 641199, China)(2 School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)(3 Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)Abstract To improve the meshing performance of harmonic reducers and the working performance of ro⁃bots, a novel tooth profile design method for harmonic gears based on the improved kinematics and transient dy⁃namics is proposed. Firstly, based on the characteristics of common tangent double arc tooth profile and S-type tooth profile, a new flexible tooth profile is proposed, which is the combination of S-type tooth profile and com⁃mon tangent double arc tooth profile. Secondly, the tooth profile of the steel gear is calculated based on the im⁃proved kinematics method. Finally, the meshing backlash between the different tooth profiles and the stress of flexsplines without considering plastic deformation are analyzed based on the transient dynamics method. Through comparative analysis, it is found that the new tooth profile without considering plastic deformation has smaller meshing backlash and equivalent stress, the minimum meshing backlash is only 0.003 6 mm, the maxi⁃mum equivalent stress under the given load condition is only 1 211.6 MPa, which are significantly lower than those of the double circular arc tooth profile flexspline, the S-shaped tooth profile flexspline, and the common tangent double circular arc tooth profile. The novel tooth profile design method can effectively improve the trans⁃mission performance of harmonic gears, which lays a theoretical foundation for the design of high-performance harmonic gears.Key words Harmonic gear Improved kinematics Transient dynamics Novel tooth profile design Meshing performance0 引言谐波减速器因体积小、传动精度高、传动稳定而应用于机器人领域，其啮合性能直接影响机器人工作性能。
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图１ 齿轮轮廓图
主动轮几何模型 图３ 从动齿轮几何模型重复以上操作，得到从动齿轮模型，如图3所示。
采用销钉约束方式，将两个齿轮进行装配，之后将配合好的模型进行全局干涉检查。
干涉体积为0，整体装配成功，
.stp格式，而后导中。
网格划分越细，则计算精度越高，但是计算时间会随之增加。
所以，应该适当选取网格大小。
本文根据。
首先对单齿进行划分，而后
作者简介：耿雪峰（1987-），男，辽宁朝阳人，硕士研究生。
研究方向：车辆结构仿真分析与结构优化。
图４ 主动齿轮有限元模型 图５ 从动齿轮有限元模型２ 基于Ａｂａｑｕｓ的静态接触分析
2.1 接触类型与接触方式
本文中的主、从齿轮材料相同，刚度相近，故采用柔体—柔体的接触类型[8]。
在所有的接触方式中，面—面接触支持低阶和高阶单元，适用于表面复杂、具有大变形和摩擦力的接触问题，没有表面形状的限制。
而齿轮接触属于典型的非
图６ 齿轮接触面示意图
加载及约束
在大齿轮圆心建立参考点“RP-big”，在小齿轮圆心建
图７ 齿轮副应力云图图８ 从动齿轮应力云图
载荷步３结果
载荷步４结果
载荷步５结果
载荷步１结果
载荷步２结果
载荷步６结果
图９ 从动齿轮应力云图
可看出，动力学计算应力值较静态计算结果高出约为8.1%。
以上结果表明，在一般的齿轮强度分析中，动力学计算结果高于静态计算结果，但是差别不大。
因此，对齿轮的强度进行校核时，如无特殊要求，可采用静态计算结果作为齿轮强度的评。