黃廣新， 于麗新

（1.遼寧省核工業(yè)地質(zhì)局二四五大隊(duì)，沈陽110122；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽110006）

0 引言

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參與系數(shù)（即在特定方向上某個(gè)振型在多大程度上參與了振動(dòng)）。利用SolidWorks軟件對(duì)一種榖盤切削機(jī)床減速器中的齒輪進(jìn)行實(shí)體造型，并通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)該齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，從而為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，有助于對(duì)齒輪的結(jié)構(gòu)靜力、嚙合動(dòng)力以及非線性分析時(shí)估算出求解控制參數(shù)。

SolidWorks是一款功能強(qiáng)大的三維實(shí)體造型軟件。多通道的軟件接口技術(shù)和多種文件存儲(chǔ)格式，使其輕松地與多種軟件進(jìn)行文件轉(zhuǎn)換。雖然SolidWorks有著強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，但在結(jié)構(gòu)分析方面的能力相對(duì)較弱。ANSYS軟件在工程分析領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、磁場(chǎng)分析、溫度分析、流體力學(xué)分析等。雖然其具有一定的模塊造型功能，但相比SolidWorks，ANSYS的造型功能相對(duì)較弱。所以，通過SolidWorks對(duì)齒輪進(jìn)行建模，然后通過ANSYS對(duì)齒輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、模態(tài)分析，二者配合使用，有效地提高了齒輪模態(tài)分析的效率。

1 基于SolidWorks的齒輪幾何模型建立

圖1 齒輪三維實(shí)體模型

通過SolidWorks進(jìn)行三維幾何模型創(chuàng)建是ANSYS三維分析模型建立的前提條件。SolidWorks提供了Toolbox功能，可以從Toolbox中直接創(chuàng)建齒輪模型，通過對(duì)齒輪參數(shù)的設(shè)定，得到我們所要建立的三維齒輪模型。具體參數(shù)如下：模數(shù) m=3 mm，齒數(shù) z=20，壓力角 α=20°，面寬=8 mm，變位系數(shù)x=0，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25。三維模型如圖1所示。

2 基于ANSYS的齒輪模型模態(tài)分析

2.1 ANSYS對(duì)齒輪模型的網(wǎng)格劃分

SolidWorks對(duì)齒輪進(jìn)行三維實(shí)體建模后，將實(shí)體文件存儲(chǔ)為gear.IGS和gear.SAT格式。ANSYS12.0可以將gear.IGS和gear.SAT文件直接讀入，轉(zhuǎn)化成ANSYS的三維分析模型。通過對(duì)導(dǎo)入模型的具體參數(shù)設(shè)定，達(dá)到對(duì)齒輪模型的網(wǎng)絡(luò)劃分的目的。本次分析過程中，單元類型選用20節(jié)點(diǎn)的三維單元SOLID 186。齒輪網(wǎng)格化的有限元模型如圖2所示，材料參數(shù)設(shè)置如下：彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為 0.3，密度為 7.8×103kg/m3。

圖2 齒輪的有限元模型

2.2 齒輪模型的模態(tài)分析

ANSYS對(duì)齒輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行相關(guān)約束的設(shè)定并求解，最后擴(kuò)展模態(tài)。ANSYS有限元中提供了7種模態(tài)提取方法：分塊蘭索斯法（Block Lanczos），預(yù)處理共軛梯度蘭索斯法（PCG Lanczos），縮減法，阻尼法，非對(duì)稱法，QR阻尼法，超級(jí)節(jié)點(diǎn)法。綜合分析各種分析方法的特點(diǎn)，本次分析選用分塊蘭索斯法（Block Lanczos）進(jìn)行模態(tài)提取。具體分析步驟如下：首先選擇模態(tài)分析方法（圖3）和頻率范圍，再施加邊界條件，進(jìn)行求解。

圖3 選擇模態(tài)分析方法

圖4 分析結(jié)果列表顯示

在完成上步求解后，進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展設(shè)置和擴(kuò)展求解，分別對(duì)數(shù)據(jù)輸出、頻率范圍和結(jié)果輸出進(jìn)行設(shè)置并最終求解。齒輪固有頻率為29.939 Hz時(shí)，齒輪的位移最大變形量為2.8×10-2mm，齒輪所受最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于齒根處，最大值約為2.32 MPa，小于QT600-3的許用應(yīng)力（600 MPa），如圖 5、6所示。

圖5 齒輪位移云圖

圖6 等效應(yīng)力分布圖

3 結(jié)語

通過SolidWorks與ANSYS有機(jī)結(jié)合，利用SolidWorks進(jìn)行齒輪的三維實(shí)體建模，再利用ANSYS導(dǎo)入SolidWorks的實(shí)體模型文件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分模態(tài)分析，充分發(fā)揮了兩種軟件的優(yōu)點(diǎn)，減少了ANSYS有限元建模的時(shí)間，極大提高了ANSYS對(duì)齒輪的有限元分析問題，提高了處理問題的能力。該方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以進(jìn)行一定形式的推廣。

通過對(duì)齒輪位移云圖、等效應(yīng)力分布圖以及分析結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可以計(jì)算出齒輪的固有頻率。這為設(shè)計(jì)人員合理設(shè)計(jì)齒輪提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，也為分析齒輪受力情況、解決齒輪動(dòng)態(tài)缺陷等問題，提供了科學(xué)的處理方法。

［參考文獻(xiàn)］

［1］劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程：機(jī)械篇［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］賴高良.精通So1idWorks［M］.北京：中國青年出版社，2001.

［3］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2003.

［4］張洪才，何波.有限元分析—ANSYS12.0從入門到實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：394－403.

［5］王麗薇，解文科，薛峰.125MN雙柱快速鍛造液壓機(jī)本體模態(tài)分析［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（1）：70-73.