基于ANSYS/LS-DYNA的齿轮故障特性仿真分析

摘要

齿轮减速器是机械系统中的一个重要的组成部分，发挥着不可替代的作用，它可以提供该机械系统需要的扭矩和相应旋转速度。它的工作状态好坏直接决定着传动系统整体性能的好坏，齿轮的损坏可以导致经济的大量损失，有时甚至危害人类生命安全。鉴于此，学者们一直都很重视齿轮传动系统可靠性与安全性研究。
　　减速器中齿轮发生故障后将会改变工作齿轮的啮合状态，导致齿轮啮合过程中出现不同程度的波动。这些波动包括减速器的振动和噪声，由于它们的出现，降低了齿轮的啮合精度。高速运转过程当中，轮齿更加容易出现点蚀、裂纹及断齿等的故障。由于齿轮故障的存在，齿轮的啮合振动冲击会呈现更加明显的周期性，传动性能也将会受到极大的影响。因此对故障齿轮动态特性的研究已经成为一个非常热门的课题。
　　本文首先建立了齿轮的有限元模型，除了对其进行了静力学分析外，还进行了动力学特性的动态模拟。通过运用ANSYS软件的静力学分析，分别计算出了齿轮在健康状态和故障状态下的啮合刚度；动力学分析方面是使用LS-DYNA软件对健康齿轮和故障齿轮进行齿轮动态特性的模拟仿真；最后对故障齿轮和健康齿轮进行运转实验，验证仿真结果的准确性。
　　本文的主要内容包括：
　　一、齿轮有限元模型的建立。除了使用CAD三维软件快速生成相对应的齿轮对外，本文重点介绍了运用 APDL语言建立四种类型的齿轮模型，分别为完整、断齿、齿根裂纹1mm、齿根裂纹3mm的齿轮对，采用六面体形状的网格单元对齿轮模型进行划分。与四面体齿轮有限元模型计算结果相比，六面体有限元模型计算结果更加准确，而且计算速度提高了一倍以上。
　　二、运用ANSYS对齿轮对进行静力学分析。计算出轮齿一个啮合周期的啮合刚度，计算结果表明具有齿根故障的齿轮啮合刚度变小了很多。
　　三、运用LS-DYNA软件对上述四种不同状况的齿轮对进行动力学特性分析。为了尽可能的减小传播路径对振动信号的影响，提取轮体上面的加速度信号以及啮合力曲线，观察轮齿故障对这些参数的影响。因为轮齿故障的存在，靠近故障轮齿啮合部位的啮合力发生了突变，振动信号的振幅也变大了很多。故障轮齿裂纹尖端点的位移以及加速度信号也发生了相对应的变化。
　　四、为了验证仿真结果的合理性，封闭功率流试验台上进行齿轮运转实验，采集振动信号，并进行分析对比。与正常齿轮对相比，故障齿轮的三个方向的加速度信号均发生了不同程度的变化，实验结果与仿真结果是一致的。

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第一章 绪论

1.1 课题来源以及研究背景和意义

1.2 国内外齿轮传动系统的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 齿轮有限元模型的建立

2.1 有限元法的应用

2.2 齿轮三维建模

2.3 齿轮网格单元划分

2.4 本章小结

第三章 齿轮啮合刚度的计算

3.1 齿轮啮合刚度的分析

3.2 齿轮啮合刚度的计算

3.3 结果分析

3.4 本章小结

第四章 齿轮显式动力学有限元分析

4.1 显式动力学理论

4.2 显示动力学分析过程

4.3 重启动分析

4.4 负体积的产生与解决

4.5 动力学结果分析

4.6 本章小结

第五章 齿轮传动实验设计

5.1 实验方案设计

5.2 数据分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文