基于LS—DYNA的正交面齿轮动态接触分析
基于ANSYS_LS_DYNA的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析
基于ANSYS/LS 2DY NA 的直齿锥齿轮动力学接触仿真分析高 翔,程建平(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013)摘要:针对直齿锥齿轮疲劳破坏中出现儿率最高的齿面接触疲劳强度问题,在UG 中建立齿轮几何模型,利用ANSYS/LS 2DY NA 对齿轮进行动力学接触仿真分析,计算了齿轮副在啮合过程中齿面接触应力、应变的变化情况及两对轮齿同时接触过程中接触压力的分布情况。
关键词:直齿锥齿轮;AN S YS /LS 2D Y NA;动力学;接触仿真分析中图分类号:TH132.421 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2008)02-0050-02Dynam ic Contact Emulate Analysis of Bevel Gear with ANSYS/LS 2DY NAGAO X iang,CHEN G J ian 2ping(School of Aut omotive and Traffic Engineering,J iangsu University,Zhenjiang 212013,China )Ab s tra c t:Geometrical model of a bevel gear is established and bevel gear dyna m ic emulati on analysis is operatedwith ANSYS/LS 2DY NA s oft w are f or that the fatigue failure p r obability of bevel gear is the highest in t ooth surfaces contact fatigue resistance .The contact stress and def or mati on during the meshing p r ocess are calculated .And the distributi on of contact f orce is calculated when t w o pairs of teeth contact si m ultaneously .Key wo rd s:Bevel gear;ANSYS/LS 2DY NA;Dyna m ic;Contact si m ulati on analysis 由于车用齿轮的传动比和传递功率大,加工难度与成本都相当高,所以如何提高车用齿轮的传动性能与使用寿命,近年来一直深受社会各界的广泛关注。
利用LSDYNA进行接触分析应该注意的一些问题
利用LSDYNA进行接触分析应该注意的一些问题
利用LSDYNA进行接触分析应该注意的一些问题
在定义材料特性时确保使用了协调单位。
不正确的单位将不仅决定材料的响应，而且影响材料的接触刚度。
确保模型中使用的材料数据是精确的。
大多数非线性动力学问题的精度取决于输入材料数据的质量。
多花点时间以得到精确的材料数据。
对所给模型选择最合适的材料模型。
如果不能确定某个part的物理响应是否应该包含某个特殊特性(例如：应变率效应)，定义一种包含所有可能特点的材料模型总是最好的。
在两个接触面之间不允许有初始接触，确保在定义接触的地方模型没有任何重叠。
总是使用真实的材料特性和壳厚度值，接触面的材料特性和几何形状被用来决定罚刚度。
在相同的part之间不要定义多重接触。
对壳单元,除非需要接触力否则使用自动接触。
无论何时尽可能使用自动单面接触(ASSC)，此接触是最容易定义的接触类型而不花费过多的CPU 时间。
在求解之前列示所定义的接触面以保证定义了合适的接触。
避免单点载荷，它们容易引起沙漏模式。
既然沙漏单元会将沙漏模式传给相邻的
单元,应尽可能避免使用点载荷。
在定义载荷曲线之后，使用EDLDPLOT 命令进行图形显示以确保其精确性.
因为LS-DYNA 可能会多算几个微秒，将载荷扩展至超过最后的求解时间(终止时间)常常是有用的。
对准静态问题，施加一个高于真实情况的速度常常是有利的，这能极大的缩减问
题的求解时间。
不允许约束刚体上的节点，所有的约束必须加在刚体的质心(通过EDMP,RIGID 命令)。
LS-DYNA中的接触理论讲解
LS-DYNA中的接触界面模拟1 引言接触－碰撞问题属于最困难的非线性问题之一，因为在接触－碰撞问题中的响应是不平滑的。
当发生碰撞时，垂直于接触界面的速度是瞬时不连续的。
对于Coulcomb摩擦模型，当出现粘性滑移行为时，沿界面的切向速度也是不连续的。
接触－碰撞问题的这些特点给离散方程的时间积分带来明显的困难。
因此，方法和算法的适当选择对于数值分析的成功是至关重要的。
虽然通用商业程序LS-DYNA提供了大量的接触类型，可以对绝大多数接触界面进行合理的模拟，但用户在具体的工程问题中，面临接触类型的选择及棘手的接触参数控制等问题。
基于以上，本文对LS-DYNA中的接触-碰撞算法作了简要的阐述，对接触类型作了详尽的总结归纳，并对接触界面的模拟提出了一些建议。
2 基本概念基本概念：“slave”、“master”、“segment”。
在绝大多数的接触类型中，检查slave nodes是否与master segment产生相互作用(穿透或滑动，在Tied Contacts 中slave限定在主面上滑动)。
因此从节点的连接方式（或从面的网格单元形式）一般并不太重要。
非对称接触算法中主、从定义的一般原则：粗网格表面定义为主面，细网格表面为从面；主、从面相关材料刚度相差悬殊，材料刚度大的一面为主面。
平直或凹面为主面，凸面为从面。
有一点值得注意的是，如有刚体包含在接触界面中，刚体的网格也必须适当，不可过粗。
3 接触算法在LS-DYNA中有三种不同的算法处理碰撞、滑动接触界面，即：动态约束法（kinematic constraint method）罚函数法（penalty method）分布参数法（distributed paramete method）3.1 Kinematic Constraint Method采用碰撞和释放条件的节点约束法由Hughes 等于1976年提出，同年被Hallquit 首先应用在 DYNA2|D中，后来扩展应用到 DYNA3D中。
基于solidworks和ls-dyna的斜齿轮动力学接触仿真分析
湘潭大学土木工程与力学学院 虚拟实验室
1.建模
齿轮参数： 齿轮参数 。 。 主从齿轮齿数30，模数3，压力角20 ，螺旋角20 ， 齿厚18.52mm。 单元选取： 单元选取 solid164和shell163单元。 实常数、材料属性： 实常数、材料属性： 材料属性选线弹性材料，杨氏模量为2.06E8 KPa ,泊 松比为0.3，密度为7.9E-6Kg/mm3。对shell163单元，单元 为均匀厚度，定义节点1处的壳厚为0.1，选择S/R Corotational Hughes-Liu 面内多积分点改进型单元算法，以 消除某种沙漏模态。
5.结果分析
图4.主动轮齿面部位应力图
5.结果分析
图5.从动轮齿面部位应力图
5.结果分析
图6.主动轮齿根部位应力图
5.结果分析
图7.从动轮齿根部位应力图
5.结果分析
图8.齿轮最大Von Mises应力示意图
5.结果分析
图9.斜齿轮传动应力示意图
5.结果分析
图10.斜齿轮传动应力示意图
5.结果分析
图11.斜齿轮传动动画演示
5.结果分析
图12.斜齿轮传动动画演示
1.建模
图1.基于SolidWorks的齿轮模型
1.建模
图2.导入ANSYS后的齿轮模型
பைடு நூலகம்
1.建模
图3.划分网格后的有限元模型
2.定义接触
生成PART之后即可对齿轮的接触方式进行设置， 在LS-DYNA中没有接触单元，只要定义可能接触的接触 表面，它们之间的接触类型，以及与接触有关的一些参 数即可。本文在齿轮的动态模拟中选择面面接触的自动 接触方式（ASTS）来定义接触，同时设置静摩擦因数为 0.3，动摩擦因数为0.25，其他参数采用默认设置，选择 主动齿轮（PART1）为接触面，从动齿轮（PART2）为 目标面。
基于LSDYNA的汽车正碰分析
中图分类号：Ｕ４６７．１＋４
０前言
在汽车被动安全性研究中，汽车碰撞是一个 十分复杂的力学问题，它是一个动态的大位移和 大变形的瞬态接触过程。接触和高速冲击载荷影 响碰撞的全过程，碰撞系统具有大位移、大转动 和大应变的非线性特征，以材料弹塑性变形为典 型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的接 触非线性的多重非线性特点。这些非线性物理陛 能的综合，使得利用传统的手段对汽车碰撞过程 的精确描述和求解变得非常复杂和困难。文中进 行的是汽车１００％ＯＤＢ正面碰撞的仿真分析。采 用动态显式非线性有限元技术，利用ＮＸ、ＡＮＳＡ、 ＬＳ．ＤＹＮＡ等有限元软件对某汽车进行几何建 模、网格建模和计算求解，依据计算结果分析了 汽车正面主要结构在碰撞中的耐撞性，并将计算 结果与试验结果进行对比，以验证仿真模型的准 确性。
１碰撞模型的建立
１．１汽车几何模型 建立汽车整车几何模型是进行有限元分析
的第一步，模型质量的好环对后续的有限元分析
·３４·
文献标识码：Ａ
起着至关重要的作用，直接决定有限元模型网格 的质量和分析时间的长短以及分析进展是否顺 利，尤其在碰撞分析中尤为突出。另外，在保证模 型正确及几何元素相关联的基础上，可以进行简 化，以达到事半功倍的效果。文中利用ＮＸ软件建 立某汽车整车的几何模型，该汽车三维几何模型 如图１所示。
［２］陈海树，赖征海，邸建卫．Ｌｓ—ＤＹＮＡ在汽车碰撞模拟过程 中的应用［Ｊ］．沈阳大学学报，２００６．
［３］何涛，杨竞．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ非线性有限元分析实例指 导教程［Ｍ］．机械工业出版社．
［４］张金换，杜汇良，马春生．汽车碰撞安全性设计［Ｍ］．清华 大学出版社．
［５］Ｏａｒｙｌ Ｌ．Ｌｏｇａｎ．有限元方法基础教程［Ｍ］．北京电子工业 出版社．
基于ANSYS／LS-DYNA的齿轮接触应力分析
０ 引 言
Ｓ Ｅ Ｌ６ Ｈ Ｌ １３是 ４节 点 显 式 结 构 薄 壳 单 元 。 Ｓ Ｅ Ｌ ６ 提 供 了如 下 实 常 数 ：Ｈ Ｆ是 剪 切 因数 ， Ｈ Ｌ １３ ＳＲ 推 荐值为５６如果不指定则采用默认值 １Ｎ Ｐ ／， ； Ｉ 是通过单
作 为传 递 运 动 和动 力 的 基础 元 件 ， 轮 在工 业 发 齿 展 中发挥 了非 常重 要 的作用 。传 统 的齿 轮静态 接 触分
收稿 日期 ： ０ ０ １ ２ １－１－ ２ １
元厚度的积分点数值 ， 在本文 中设置为 ０ ０ ， ． １也就是 ０ １ ｉ；１ ４ 四个节点中每个节点处的壳厚度。 ｎＴ 一Ｔ 是 ａ ｒ 在 Ａ Ｓ ／Ｓ Ｄ Ａ中 ，Ｏ Ｉ ６ 单 元 不 具 有转 Ｎ ＹＳＬ — ＹＮ Ｓ ＬＤ１４ 动 自由度 ， 不能通过给其施加 转速或转矩使其转动。 本 文通 过 定 义 齿 轮 内圈 表 面 为 Ｓ Ｌ １３ 元 ， 定 ＨＥ Ｌ ６ 单 并 义为刚性体 ， 将载荷施加在齿轮 内圈刚性体上 ， 使齿轮 转动 ， 以便进行动力学接触仿真分析 。 ３ 设置材 料 属性 齿 轮 的材料 选择 为 常用 的 ４ ， 力学 性 能为 弹 ５钢 其 性模量 Ｅ＝ １ Ｐ ， ２ ０ ａ泊松 比 Ｇ ＝０３ ， ＝ ８０ ｇｍ 。 ．０ Ｐ ７ ５ ／ ’ ｋ 对 齿 轮 内 圈 的 Ｓ Ｌ １３ 元 ， 置 材 料 属性 时 ＨＥ Ｌ ６ 单 设 需要设置其平移和旋转约束参数 ， 对两个齿轮均选用 以下参 数 ：ｒｎ ｔｎｌ ｏｓａｎ ａａ ｔｒ７约束 ， Ｔａｓａｉ ａ Ｃ ｎｔ ｉｔ ｒｍｅ 一 （ ｌｏ ｒ Ｐ ｅ Ｙｚ ，位移） ｏ ｔ ｎｌ ｏｓａ ｔ ａ ｎｔ － （ ， ｔｉ ａ Ｃ ｎｔ ｉ ｒ ｅ ｒ ４约束 ，向 Ｒ ａｏ ｒｎＰ ａ ｅ Ｙ 旋 转） 。 ４ 划分 网格 为 了真 实地 反 映齿 轮接 触 面 的实 际情 况 ， 效地 有 保证分析精度和计算结果 的准确性 ， 并考虑到分析的 经 济性 ， 可能接 触 的 区域 需要 细分单 元 网格 ， 在 在其 它 非 特 征表 面 则 可 以粗 划 分单 元 网格 。具体 操 作 如下 ： 先 用 Ｓ Ｅ Ｌ ６ 单 元 在 齿 Ｈ Ｌ １３ 轮 的 一 个 侧 面 上 划 分 网 格， 然后再用 Ｓ ＬＤ ６ 单 Ｏ Ｉ １４ 元 选 择 线 弹 性 材 料 扫 掠 整 个 齿 轮 ， 后 再 用 最 Ｓ Ｅ Ｌ ６ 单 元 在 齿 轮 内 Ｈ Ｌ １３ 罔 表 面 划 分 网 格 。划 分 好 网 格 的 模 型 如 １ 所 示 。 需 要 注 意 的 是 网 格 图１ 划分网络
ls-dyna接触专题
接触参数-接触厚度
OPTT: the thickness per material, specified in *PART_CONTACT SFT: thickness scaling per material, from *PART_CONTACT SST/MST: slave/master thickness given on *CONTACT card SFST/SFMT: slave/master thickness scaling on *CONTACT card THKCHG: flag to update thickness for single surface contacts, on the *CONTROL_CONTACT card SSTHK: "use actual thickness" flag for single surface contacts, on the *CONTROL_CONTACT card SPOTHIN: spotweld thinning parameter, on *CONTROL_CONTACT ISTUPD: flag to update shell thicknesses, on *CONTROL_SHELL
接触参数-BSORT
Bucket Sort 是一种非常有效的接触搜索算法。如果考 虑“厚度偏置”，则在所有的接触类型（自动、非自动接触） 中，对于任一从节点均使用Bucket Sort方法搜索可能与之接 触的主段。由于接触搜索是“接触模拟”中非常耗时的一个 步骤，因此应尽量减少搜索的次数。
对于不连续面间的接触、高速碰撞等问题，应增加搜索 的次数，即减小BSORT（或BSBCS），但一般不应小于10。在 这些问题中，如搜索间隔过大，一些从点就会在接触处理中 被漏掉。但对于相对平滑的面间接触问题，可以适当增加 BSORT 或NSBCS。
基于ANSYS_LS_DYNA的齿轮传动冲击特性仿真分析
基于 A NSY S/ LS - D Y NA 的齿轮传动冲击特性仿真分析张发民( 北京理工大学 机械与车辆学院 , 北京 100081)摘要 以连续介质波动理论为基础 ,使用 ANSY S/ LS - DY NA 有限元动力学仿真软件 ,建立了一对齿 轮传动的冲击特性仿真模型 ,得到了在不同加载 、初始条件下 ,参与啮合的每个轮齿齿面动载荷和齿轮啮 合力随时间变化的曲线 ,以及被动齿轮的转速动态响应曲线 ,从而为齿轮的强度分析提供了可靠依据 。
关键词 齿轮传动 冲击 有限元方法Simulation A nalysis of G ear T ransmissi on Imp act Ch aracteristicb a s e d on ANSYA/ LS - DY NAZhang Famin( School of Mechanical & V ehicle Engi neeri ng ,Be ijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081 ,China )Abstract The sim ulati on m odel of gear transm issi on im pact characteristic is established by using the ANSY S/ LS - D Y NA software based on the continuous medium ware theory. The curves of the meshing force and dynamic l oad be 2 tween gear tooth surface changing with tim e , and the dynamic response curve of driven gear rotati onal speed curve un 2 der different l oad and initial conditi ons are acquired. The reliable basis for gear strength analysis is provided.K ey w or d s G ear transm issi onIm pactFE M学问题 ,同样也非常适用于齿轮动态啮合特性的数值仿真研究 。
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图 １ 正 交 面 齿 轮 加 工图
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面齿轮传动 Ｆｃ ｅｒ ｒ ｅ是 一种圆柱齿轮与 圆锥 齿轮 ａｅＧ ａ ｉ ） Ｄｖ （ 面齿 轮） 啮合 的新 型齿轮传 动 ，是采用具 有渐开线 齿面 的 相 刀具经 范成 加工而成 ， 具有许多独特 的优 点和几何现象 ， 比如 轴向误差 不敏感 ， 重合度高 ， 动振 动小等 。 传 在 齿轮传 动 的动态 接触 分析 中 ，传 统 的齿 轮接 触分 析 （Ｃ ） Ｔ Ａ 只考虑 了轮齿 齿面啮合 ， 使接触呈 现出一种不 连续 的接 触过程［ 在全部啮合过程中 ， ３ １ 。 轮齿的接触 非常复杂 ， 比如轮齿
３１ 选 择 单 元 ．
。＝ ｒ（ Ｓ 口 ｎｇ ） ２ 一ｂＣ ±ｏｓ 日 ｓＯ ｇ ｏ ｉｏ
将装 配 图模 型导人 Ａ Ｓ Ｓ中 ， 选择合 适 的单元 ， ＮＹ 并 在此
选 用 ｓｈ １ ４和 ｓｅ １ ３两 种 单 元 。 ｏｄ６ ｈｌ６ ｌ
面齿轮 的齿根过渡 曲面 ，是 由刀具齿顶 圆与其齿廓 的交
维几何模型 ，并 利用 Ｌ Ｄ Ｎ Ｓ Ｙ Ａ对 面齿轮 啮合过 程中 的接触状 态， 进行 了动力学仿真 分析 。
１ 面齿 轮 齿面 的基 本方 程 【 ４ １】 Ｉ ２
图 ２ 渐 开 线齿 轮 参１ ，，） ［ ： ｒ ’ （
毒
摘 要： 以圆柱齿轮 和面齿轮 传动为研究对 象， 用齿轮啮合 原理 ， 采 分别形成 了两者的齿面数 据， 在此基础上 ， 用 ＣＡ Ａ形成 了齿轮 采 ＴＩ
齿 面， 并对齿轮轮齿进行 了几何 实体造 型， 而后利 用 Ａ Ｙ ／Ｓ Ｄ Ｎ ＮＳ ＳＬ — Ｙ Ａ对 面齿轮 进行动 力学接 触仿真分析 ， 计算 了齿轮 副在动 态啮
和 ｓ 。 中坐标原点 和 ０ 都在 ０点 ；ｚ 其 ： Ｚｏ和 同轴 ， 为刀
具的转动轴线 ； 和 ｚ 同轴 ， １ 为被加工面齿轮 的转动轴线 。 用
和 分别 表示 刀 具 的 转 角 和 齿 轮 ２的 转 角 ，在 以下 讨论 中 取
合条件 ． ＝０ ｖ： （ 为啮合点 的相对速度 ） 确定 。 由此得到正
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ２， ０１ ｎ ｆ ｃｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ２ ０ ｉ
基 于 Ｌ — Ｙ Ａ的正 交面齿轮 动态 接触分析 Ｓ Ｄ Ｎ
胥 国祥 ， 以都 张
（ 虚拟现实技术与系统 国家重点实验 室 ， 北京航空航天大学 ， 北京 １０ ９ ） ０ １１
线形成 的。将 刀具齿 廓方程式 中的角度参数 ０用齿 顶圆处 的
ｒｂ
［ ｓ￣ ） ｓ（ ＋ 】 ｃ （ ＋ 一 ｉＯ ） ｏ０ ｎ￣
１
式 中 ， ｒ 为刀具渐 开线 的基 圆半径 ； ， ｂ 为刀 具齿 面上一 点 的轴 向参数 ； 为刀具渐 开线上一 点的角度 参数。 和 。为 渐开线齿 面的参数 ， １ 中的上下符号分别对应 于刀具齿槽 式（ ）
啮 合 过 程 中 的 边 缘接触 ， 多齿对 轮齿啮 重 合度的问题。 洧 因此 ， 原 有的 Ｔ Ａ方法 是不 完善的。 Ｃ 由于显式 动 力 分 析 软 件 Ｌ — Ｙ Ａ 的 ｓＤ Ｎ
ｒ ， ） （ ＝
一
４－ ｒ ｂ
［ｎ ￣ ） ０ ｏ０＋ ］ ｓ （ ＋ 一 ｓｏ ） ｉＯ ｃ （，
两 侧 渐 开 线 ／一／和 ｙ一 ３ ３ 。０ 由 ０ ＝叮 ／ 帆 一ｉ ｏ确 定 ， ｍ ｒ２ ｎｅ ｖ 其
发展 ， 使模拟齿轮传动 动态 啮合 的仿 真成 为了可能 。
本 文 采 用 Ｍ Ｔ Ａ 、 Ａ Ｉ 件 ， 立 了正 交 面 齿 轮 的三 Ａ Ｌ Ｂ Ｃ ＴＡ软 建
中 为 刀具齿数 ， 为刀具 压力 角。
面齿轮是用直齿渐开线齿 轮刀具经范成加 工而成。现采
用 ４个 坐标 系 （ 图 １ 。 刀 具 ｓ 齿 轮 ２一 同转 动 的两 个 坐 见 ）与 和
ＣＯ Ｓ
２
Ｏ
Ｏ
标 系 ＆ 和 Ｓ；刀具 ｓ和齿轮 ２初始 位置 的 ２个 固定 坐标 ｏ ：
是坐标变换矩 阵 ， 表示 从刀具坐标 系向面齿轮坐标 系 的转换 妒 ＝ｇ ， ｑ＝ ／ １ ： ； 程／（ ，， ） ， Ⅳ ＝ ， 方 ０ ， 由啮 ，
合 过 程 中齿 面 接 触 应 力 的 变化 情 况 ， 并对 结 果进 行 相 应 的 分 析 。
关键词 ： 面齿 轮 ； 轮 传 动 ； ＮＳ Ｓ Ｌ — 齿 Ａ Ｙ ／Ｓ ＤＹＮＡ； 态接 触 动
中图分类号 ：Ｈ １ ２４ ９ Ｔ ３ ．２
文献标 识码 ： Ａ
文章 编 号 ： ７ — ４ Ｘ（ ０ ０ — ０ ６ ０ １ ２５５ ２ １ ２０５—４ ６ ０）
交 面齿轮 的齿 面方 程 ：
和 的夹角为 ９ 。。刀具渐开线齿面方程 为 ： ０
收稿 日期 ：０ ９ １－ ２ ２０ — １０ 作者简介 ： 国祥（ ９ ５ ）男 ， 胥 １ ８ 一 ， 江苏 省泰兴人 ， 在读硕士研究生 ， 究方 向 ： 研 面齿轮 、 Ａ Ｃ Ｅ Ｃ Ｄ、 Ａ 。
５ ６
《 装备制造技术￣０ ０ ２ １ 年第 ２ 期
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３ 面 齿 轮 有 限 元分 析