ANSYS Workbench齿轮瞬态动力学仿真实践与技巧

一些CAE朋友经常问到齿轮的动力学仿真，在这里通过一篇文章说明基于ANSYS Workbench齿轮的瞬态动力学仿真的分析思路和具体步骤。

1问题描述
 

如下图所示为斜齿轮装配体，分析齿轮啮合过程中的力学属性。其中，左边主动轮施加转速，其值为60rpm；右边从动轮施加转矩，其值10N·M。

2分析思路
 

1）由于是动力学分析，这里选择瞬态动力学分析模块；

2）两个齿轮的啮合面存在相对运动的接触，使用摩擦接触；

3）两个齿轮需要转动，通过转动副实现；

4）转速和扭矩载荷都通过转动副载荷（Joint Load）实现。

3分析步骤
 

1）创建瞬态动力学分析模块，设置材料属性，这里就用默认的结构钢，导入几何模型；

2）赋予材料属性，保持默认的结构钢；

3）设置接触。如下图所示，接触面选择所有的主动轮啮合面，目标面选择所有的从动轮啮合面，设置接触关系为摩擦接触，摩擦系数设置为0.2。

提示：由于选择的面太多，直接点击选取比较麻烦，这里提供一个较为简单的方法就是通过工具栏中的框选按钮（Box Select），比如说要选择主动轮上的接触面，可以先将从动轮隐藏，然后通过Box Select选取主动轮所有的面，然后按着Ctrl键通过点击鼠标左键反选不需要的面；从动轮的接触面亦是如此。

注意：对于齿轮分析来说，一定要检查接触是否有干涉。

4）创建转动副连接关系。选中模型树上的Connections，然后在工具栏中的Body-Ground中的Revolute，即转动副，然后选取齿轮的内表面，软件将自动识别旋转中心。分别创建两个转动副。

5）划分网格，网格使用默认的自动划分方式。

6）求解设置，设置求解时间为1s，设置初始子步为10，最小子步为10，最大子步为1000。

7）载荷设置。设置转动副载荷，主动轮转动副载荷设置为转速；从动轮转动副载荷设置为转矩，分别如下图所示。

8）计算求解。

提示：如果不收敛，可以通过调试网格质量，调试接触算法，或者增加一个时间较短的分析步，该分析步用于转速从0rpm斜坡加速到600rpm，而不是阶跃加载，这样利于收敛。

9）求解完成之后即可查看结果，等效应力如下图所示。也可以通过接触工具查看接触压力云图等。

4总结
 

ANSYS Workbench对齿轮进行动力学仿真是非常方便，包括接触的设置、转动副的设置等都非常方便。如果计算不收敛时，主要通过调试网格质量、接触算法、载荷施加的方式等；再者就是装配体模型一定不要有干涉。还有就是由于齿轮的瞬态动力学计算量较大，可以仿真转动两三个齿即可，为提高计算的准确性，可以将这两三个齿进行网格局部加密，以便更加接近真实解。

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