基于SolidWorks、ANSYS软件的减速器齿轮模态分析

黄广新， 于丽新

（1.辽宁省核工业地质局二四五大队，沈阳110122；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳110006）

0 引言

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）。利用SolidWorks软件对一种榖盘切削机床减速器中的齿轮进行实体造型，并通过ANSYS有限元分析软件对该齿轮进行模态分析，从而为其结构设计提供了技术支持，有助于对齿轮的结构静力、啮合动力以及非线性分析时估算出求解控制参数。

SolidWorks是一款功能强大的三维实体造型软件。多通道的软件接口技术和多种文件存储格式，使其轻松地与多种软件进行文件转换。虽然SolidWorks有着强大的实体造型功能，但在结构分析方面的能力相对较弱。ANSYS软件在工程分析领域应用非常广泛，可以进行结构分析、磁场分析、温度分析、流体力学分析等。虽然其具有一定的模块造型功能，但相比SolidWorks，ANSYS的造型功能相对较弱。所以，通过SolidWorks对齿轮进行建模，然后通过ANSYS对齿轮模型进行网格划分、模态分析，二者配合使用，有效地提高了齿轮模态分析的效率。

1 基于SolidWorks的齿轮几何模型建立

图1 齿轮三维实体模型

通过SolidWorks进行三维几何模型创建是ANSYS三维分析模型建立的前提条件。SolidWorks提供了Toolbox功能，可以从Toolbox中直接创建齿轮模型，通过对齿轮参数的设定，得到我们所要建立的三维齿轮模型。具体参数如下：模数 m=3 mm，齿数 z=20，压力角 α=20°，面宽=8 mm，变位系数x=0，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25。三维模型如图1所示。

2 基于ANSYS的齿轮模型模态分析

2.1 ANSYS对齿轮模型的网格划分

SolidWorks对齿轮进行三维实体建模后，将实体文件存储为gear.IGS和gear.SAT格式。ANSYS12.0可以将gear.IGS和gear.SAT文件直接读入，转化成ANSYS的三维分析模型。通过对导入模型的具体参数设定，达到对齿轮模型的网络划分的目的。本次分析过程中，单元类型选用20节点的三维单元SOLID 186。齿轮网格化的有限元模型如图2所示，材料参数设置如下：弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为 0.3，密度为 7.8×103kg/m3。

图2 齿轮的有限元模型

2.2 齿轮模型的模态分析

ANSYS对齿轮进行网格划分后，进行相关约束的设定并求解，最后扩展模态。ANSYS有限元中提供了7种模态提取方法：分块兰索斯法（Block Lanczos），预处理共轭梯度兰索斯法（PCG Lanczos），缩减法，阻尼法，非对称法，QR阻尼法，超级节点法。综合分析各种分析方法的特点，本次分析选用分块兰索斯法（Block Lanczos）进行模态提取。具体分析步骤如下：首先选择模态分析方法（图3）和频率范围，再施加边界条件，进行求解。

图3 选择模态分析方法

图4 分析结果列表显示

在完成上步求解后，进行模态扩展设置和扩展求解，分别对数据输出、频率范围和结果输出进行设置并最终求解。齿轮固有频率为29.939 Hz时，齿轮的位移最大变形量为2.8×10-2mm，齿轮所受最大等效应力点位于齿根处，最大值约为2.32 MPa，小于QT600-3的许用应力（600 MPa），如图 5、6所示。

图5 齿轮位移云图

图6 等效应力分布图

3 结语

通过SolidWorks与ANSYS有机结合，利用SolidWorks进行齿轮的三维实体建模，再利用ANSYS导入SolidWorks的实体模型文件，进行网格划分模态分析，充分发挥了两种软件的优点，减少了ANSYS有限元建模的时间，极大提高了ANSYS对齿轮的有限元分析问题，提高了处理问题的能力。该方法具有很强的实用性，可以进行一定形式的推广。

通过对齿轮位移云图、等效应力分布图以及分析结果的数据分析，可以计算出齿轮的固有频率。这为设计人员合理设计齿轮提供了数据依据，也为分析齿轮受力情况、解决齿轮动态缺陷等问题，提供了科学的处理方法。

［参考文献］

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