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ABAQUS:圆柱斜齿轮齿根应力校核---子模型技术

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  由于各类专用传动分析软件在对锥齿轮以及双曲线齿轮的齿根应力计算支持度均不足的原因,就需要使用通用有限元数值计算软件来进行校核。但是使用通用有限元软件究竟该如何得到理想的结果则需要仔细研究。这是此系列文章的第二篇,将在上一篇的基础上,进一步探讨圆柱斜齿轮齿根应力校核的高精度求解方法



    本文使用的齿轮案例来源于KISSSoft提供的示例文件06 Helical(DIN 3990).Z12。


    基本数据:


    基准齿廓:


    本文主要涉及以下几方面内容:

  • 使用KISSSoft计算齿根应力

  • 使用ABAQUS计算全局应力场

  • 使用HyperMesh切割得到齿根几何数模

  • 使用ABAQUS子模型技术计算齿根应力

  • 在子模型的基础上使用adaptive remesh方法计算齿根应力,用作比较


01

KISSSoft中圆柱斜齿轮齿根应力校核


    该齿轮对的工作状态如下:

    小齿轮为主动齿轮,其右齿面为工作齿面,工作扭矩为50Nm。

    

    齿根应力计算:根据ABAQUS:圆柱直齿轮齿根应力校核中的研究可以知道,在KISSSoft中各种齿根应力计算方法一致性良好,所以这里只进行基于有限单元法的齿根应力计算:

    

    在计算菜单中选择齿根应力 FEM,计算vonMises应力:


    齿宽方向vonMises应力分布曲线:


    齿根vonMises应力云图:


    在计算菜单中选择齿根应力 FEM,计算最大主应力


    齿宽方向最大主应力分布:

    齿根最大主应力云图:


    该对斜齿轮在当前工况下,vonMises应力为157MPa。最大主应力为191MPa。


02


ABAQUS计算全局应力场


    从上一篇文章我们已经知道,齿根应力计算结果的精度与网格密度强相关,而如果按照上篇文章的结论,在齿根处采用16层网格将会导致模型文件过大。所以本文将采用子模型技术,先行计算一个相对粗糙的模型的应力场,使用子模型计算得到精度较高的齿根应力结果。   


    绘制一套相对较粗糙的网格如下,单元类型选择默认的线性缩减积分单元:


    设计两个载荷步:

  • initial:固定大齿轮,固定小齿轮除绕轴线旋转之外的自由度;

  • step 1:给予小齿轮一个很小的转动角度,去除齿面间隙,利于后续收敛;

  • step 2:deactive step 1中的旋转,施加一个扭矩载荷50Nm;


    小齿轮vonMises应力云图:


03


使用HyperMesh切割圆柱斜齿轮齿根几何


    上篇文章中的圆柱直齿轮采用子模型法求解齿根应力也已求解过,全局模型采用线性减积分单元,然后切割出齿根几何体,按照文章中的结论,进行16层网格,得到的结果KISSSoft对标良好。但是对于圆柱斜齿轮,其齿根几何的获取相对来说就比较困难了。如果每一次的分析均需要从hypermesh生成网格的话,虽然方案可行,但是会比较费时费力,不利于网格无关化讨论。


    所以这一部分介绍一种使用HyperMesh切割齿根数模的方法,下图所示提取出来的齿根数模仅为说明该方法,实际并未使用该模型,而是使用之前提取的齿根数模:


1.先在齿面上切割出目标,如选择的曲面


2.对选择的曲面划分网格,在齿根面上尽量细化,不需在意单元质量。由于要用齿顶线作为map的引导线,所以齿面需要有限元化,单元可以尽量大,以便于后续删除。


3.使用map方法如上图设置,生成有限元


4.删除多余的单元,就得到了齿根的有限元


5.将齿根节点投影到几何上,增加建模精度,同时检查其余的节点是否有落在几何之外的,如果有也要投影到几何体。


6.使用find faces命令,将3D网格转换为2D网格


7.使用create surface 从2D有限元绘制曲面的方法得到封闭曲面


8.使用create solid创建几何体,至此就得到了齿根的几何数模,可以导出到ABAQUS进行子模型分析。


04


ABAQUS子模型技术求解圆柱斜齿轮齿根应力


    ABAQUS子模型技术要点:

  • ABAQUS子模型分析需要在module中定义其所引用的全局场变量


  • 需要在step中定义与全局场求解一致的载荷步与增量

  • 需要在load模块的boundary condition中指定子模型差值表面

    由于是结构场问题,所以degree of freedom为:1,2,3,在子模型的step 1中引用全局模型的step 1,在子模型的step 2中引用全局模型step 2。


    单元尺寸及类型控制:


    提交求解,结果如下:


    vonMises应力为160.8MPa,最大主应力180.7MPa,与KISSsoft求解结果较为接近,对标效果良好。

05


在子模型的基础上使用adaptive remesh


    adaptive remesh在ABAQUS:圆柱直齿轮齿根应力校核中已有详细介绍,在此不做赘述。其收敛结果如下:

    其计算结果与直接使用子模型结果一致。



分析方法
vonMises(MPa)
最大主应力(MPa)
备注
KISSSoft
157
191

ABAQUS子模型
160.8
180.7

基于子模型adaptive remesh
161.3
181.3

    求解误差在5%左右,对标结果良好。




来源:SimCoder
HyperMesh通用传动控制曲面KISSsoft
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首次发布时间:2023-02-03
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签我的导演他姓张
本科 怕什么真理无穷进一寸有一寸欣喜
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