一种基于ANSYS-WORKBENCH的转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS‑WORKBENCH的转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法，包括建立几何模型、定义材料属性、有限元网格划分，施加边界约束和载荷，以参数化变量作为输入变量，最大等效应力为输出变量进行循环仿真计算，计算对应参数的应力敏感性。通过本发明能够计算装配状态和实际工作状态下的圆弧端齿的应力分布情况，还可将材料的弹性模量、泊松比、摩擦系数以及几何尺寸、载荷等定义为参数化设计变量，分析各个参数的变化对最大等效应力的影响，分析各个设计变量的应力敏感性，建立的模型可应用于结构优化设计和强度可靠性评估过程中。

说明书

技术领域

本发明涉及航空领域中转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法，尤其涉及一种基于ANSYS-WORKBENCH的转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法。

背景技术

圆弧端齿结构广泛应用于航空发动机转子部件，用于轴-轴连接、轴-盘连接和盘-盘连接。圆弧端齿在定心、传扭的同时还具有自动定心精度高、热定心特性好、承载能力强、结构紧凑，装拆方便、重量轻等特点，因而广泛应用于现代航空发动机转子系统零部件之间的连接。由于航空发动机转子系统对于应力敏感性和可靠性要求较高，通常应用有限元分析软件ANSYS进行敏感性和可靠性分析，在分析过程中需建立几何模型，由于圆弧端齿结构复杂，在有限元软件中建模困难，通常先在CAD类软件中建立几何模型再导入ANSYS中，但这种方法对设计变量的修改过程较为繁琐，难以实现设计变量的参数化，尤其是几何尺寸的参数化。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于ANSYS-WORKBENCH的转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法，实现设计变量的参数化。

技术方案：本发明的种基于ANSYS-WORKBENCH的转子系统圆弧端齿连接结构参数化建模方法包括如下步骤：

(1)在Workbench的几何模块DesignModeler中建立圆弧端齿结构的几何模型；

(2)在EngineeringData模块中定义几何模型的材料属性；

(3)在Model模块中对几何模型进行网格划分；

(4)对模型进行接触设置并施加边界约束和载荷，求解受力情况；

(5)圆弧端齿几何尺寸的参数化；

(6)以参数化变量为输入变量，即将材料的弹性模量、泊松比、摩擦系数等以及几何尺寸、载荷分别设置为参数化变量，将各参数的变化量与其标准值的比值作为标准几何变化量δ，应力敏感性s为应力变化量的平均值Δσ与标准几何变化量δ的比值，即

以最大等效应力为输出变量，进行循环仿真计算，分析比较各个参数化变量的应力敏感性。

步骤(1)中，通过使磨轮刀具的几何模型和端齿轮盘毛坯模型相减建立圆弧端齿的几何模型。

步骤(2)中对凸齿和凹齿的材料属性分别进行定义。

步骤(3)中采用20节点六面体实体单元SOLID186单元对结构非接触区域进行有限元网格划分，根据计算精度需求设置齿端接触面的划分单元尺寸。

步骤(4)中，在凹齿和凸齿接触啮合的两个齿面进行接触设置，对圆弧端齿接触区域采用contact174和target170单元建立接触对；选取凹齿为目标面，凸齿为接触面，接触类型为摩擦接触，输入摩擦系数，并设置为对称接触行为；设置约束为对称约束，在凸齿端面上施加轴向力和扭矩；在凹齿端面的位移约束面上施加位移约束，限制其轴向和周向方向的位移为0；

步骤(5)中，圆弧端齿凸凹齿成对使用，凸凹齿上的同一齿形几何尺寸相同，几何尺寸参数化时要确保两者随动变化。通过参数编辑将这两个目标尺寸设置成相同的参数类型和表达形式，实现凸凹齿对应几何尺寸的统一变化，从而保证凸齿和凹齿始终保持啮合状态。

步骤(6)中采用增广Lagrange法和多载荷步加载的方式求解受力情况，第一步施加所有边界条件，对于载荷仅施加轴向预紧力和重力，模拟圆弧端齿在非工作状态下的静止装配状态，第二步在第一步的基础上，将转速、扭矩、温度场以及轴向气体力全部施加，模拟端齿工作状态下的受力状态。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：能够计算装配状态和实际工作状态下的圆弧端齿的应力分布情况，还可将材料的弹性模量、泊松比、摩擦系数以及几何尺寸、载荷等定义为参数化设计变量，能够实现圆弧端齿凸齿和凹齿对应几何尺寸的谐同变化，保证凸齿和凹齿始终保持啮合状态，减少了参数的数量。还可以分析各个参数的变化对最大等效应力的影响，分析各个设计变量的应力敏感性，建立的模型可应用于结构优化设计和强度可靠性评估过程中。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明圆弧端齿几何模型建立过程示意图；

图3为本发明有限元计算模型；

图4为本发明圆弧端齿连接结构加载与边界约束示意图；

图5为本发明圆弧端齿的几何尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示的实施例采用参数化建模方法对转子系统某处圆弧端齿连接结构建立有限元模型，并设置圆弧端齿的几何尺寸中的齿根高和摩擦系数为参数化的设计变量，分析其应力敏感性，其具体过程如下：

(1)在ANSYS-Workbench的几何模块DesignModeler中建立圆弧端齿连接结构的几何模型，圆弧端齿的实体建模过程需要模拟真实的磨轮成型过程，即利用磨轮刀具实体与端齿轮盘毛坯相减，建模原理如图2所示，建立刀具实体草图时确保几何约束完整合理，通过磨轮刀具几何尺寸的参数化来实现圆弧端齿几何尺寸的参数化。并且根据结构和载荷的对称性，只建立整个圆弧端齿连接结构的二分之一几何模型以提高计算效率。

(2)在EngineeringData模块定义材料属性，对凸齿与凹齿的材料属性分别进行定义。

(3)进入Model模块划分有限元网格，采用20节点六面体实体单元SOLID186单元对结构非接触区域进行有限元分网，为了保证计算精度，设置齿端接触面的划分单元尺寸，在圆弧端齿部分采用较为细密的网格划分，如图3所示。

(4)施加边界约束和载荷。在凹齿和凸齿接触啮合的两个齿面进行接触设置，对圆弧端齿接触区域采用contact174和target170单元建立接触对。选取凹齿为目标面，凸齿为接触面，接触类型为摩擦接触，输入摩擦系数，并设置为对称接触行为，采用增广Lagrange法进行求解。对于圆弧端齿结构所受载荷和约束，选择对称截面完成对称约束的施加；轴向力和扭矩施加在凸齿端面上；在凹齿端面的位移约束面上施加位移约束，限制其轴向和周向方向的位移为0。

(5)分别设置圆弧端齿的几何尺寸中的齿根高和摩擦系数为参数化的设计变量；图5为圆弧端齿的几何尺寸示意图，其中R

(6)以参数化变量为输入变量，最大等效应力为输出变量，采用增广Lagrange法和多载荷步加载的方式对受力情况进行求解，其中第一步施加所有边界条件，对于载荷仅施加轴向预紧力和重力，模拟圆弧端齿在非工作状态下的静止装配状态，第二步在第一步的基础上，将转速、扭矩、温度场以及轴向气体力全部施加，模拟端齿工作状态下的受力状态。载荷和边界条件的施加如图4所示，进行循环仿真计算，根据公式计算相应参数的应力敏感性。

式中，Δσ为应力变化量的平均值，δ为参数的变化量与其标准值的比值，s

仅为阐明本发明方法，本实施例只分析比较了齿根高和摩擦系数两个参数化变量的应力敏感性。比较可知，几何尺寸齿根高的应力敏感性要高于摩擦系数。本发明不仅可以计算出装配状态和实际工作状态下圆弧端齿的应力分布情况，还可以利用将材料的弹性模量、泊松比、摩擦系数以及几何尺寸、载荷等定义为参数化设计变量，分析各个参数的变化对最大等效应力的影响，即分析各个设计变量的应力敏感性。建立的有限元模型可以用于结构的优化设计和强度可靠性评估。