ABAQUS应用：直齿圆柱齿轮模态分析实战

齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。在工作过程中，齿轮可能会由于机械振动而产生噪声，这样会降低齿轮的啮合精度和传递效率，从而影响齿轮的寿命。

本文以ABAQUS有限元分析软件为平台，对齿轮进行模态分析，提取了前6阶固有频率与振型，通过不同材料和腹板倒角的齿轮选择，对固有频率与振型变化趋势的分析，为齿轮的结构设计和优化及提供了设计依据，同时为进一步的动力学分析奠定了基础。

模态分析的基本理论

模态是机械结构的固有振动特性，指结构在各频率下的动态响应，一个系统的动态响应是其若干阶模态振型的综合。对于一般的多自由度系统来说，运动都可以由其振动的模态来合成，有限元的模态分析就是建立模型模态进行数值分析的过程，其运动微分方程是

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图1

式中，[M] 为质量矩阵，[C] 为阻尼矩阵，[K] 为刚度矩阵；X(t) 为系统各点的位移响应向量；F(t) 为系统各点的激励力向量。

对于无阻尼无振动的自由系统来说，阻尼项和外力项都是零，于是上述微分方程可以化为

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图2

由于弹性体的自由振动可以分为一系列的简谐运动的叠加，为了确定弹性体的自由振动固有频率和振型，考虑简谐运动的解为

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图3

带入上式

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图4

这是一个关于{x(t)} 的n 元线性齐次代数方程组，该方程组有非零解的充要条件是它的系数行列式等于0，即

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图5

该行列式称为特征行列式，将它展开可得到关于w 的n 次代数式此式称为系统频率方程

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图6

假定系统的刚度矩阵和质量矩阵都是正定的实对称矩阵，在数学上可以证明，在这一条件下，频率方程的n 个根均为正实根，他们对应系统的n 个固有频率，即这里假定各根互不相等，即没有重根，因此可以由小到大排列为w1²<w2² <w3²<...wn²，将求得的wi (i=1,2,3....n)带入简谐运动的解得相应的解{x(t)}，这就是系统的模态向量或振型向量。

齿轮有限元模型的建立

1. 齿轮建模

由于直接在abaqus中建立齿轮的模型比较麻烦，故先在solidworks中建立齿轮的三维模型，然后再导入abaqus中。

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图7

图1 齿轮模型

2. 齿轮边界约束

对齿轮进行模态分析的目的主要是获得齿轮不同阶下的固有频率和振型，因而不需要对齿轮进行加载，只需约束其边界条件，根据齿轮的工作条件，对齿轮的内圆柱面和键槽面的x、y、z方向的平动位移进行约束。

3. 齿轮网格划分

对齿轮进行网格划分，最大整体尺寸为3，几何次数选择线性摄动，选取单元类型为四面体单元C3D4。

有限元结果分析

1. 材料不同

不同材料的弹性模量和泊松比及密度不同，进而会影响到齿轮的固有频率和振型，本文中选择灰口铸铁、球墨铸铁、铸钢、碳钢和合金钢。通过模态分析查看不同材料对于齿轮固有频率的影响，因为低阶频率对于结构的振动影响较大，所以仅取了模态的前6阶模态分析结果，图2是齿轮的振型图以及最大位移振动变化，由于不同材料的振型图较多，故只选取碳钢的齿轮的1、3、5阶振型图作为示意。

基于ABAQUS的直齿圆柱齿轮模态分析的图8