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基于Marc斜齿轮副黏弹性的有限元分析

发布于:2017-07-24 21:53
有限元分析

      汽车零部件的轻量化己成为了汽车行业的重要问题。塑料齿轮有传动噪声低、吸振、自润滑等优点,而且能跟其他塑料零件很好地配合,相比金属齿轮,塑料齿轮可注塑成型,能够节省较多的加工时间和成本。用塑料齿轮来代替金属齿轮成为汽车行业相关研究部门关注重点。
      塑料齿轮在啮合过程中,摩擦产生的摩擦热和因材料瓢弹性产生的滞后热,影响材料的力学参数,产生热应变,从而影响塑料齿轮的啮合性能;同时温度升高还会影响润滑油的性能;材料力学参数和润滑油性能的变化又会对啮合过程产生影响。这种耦合导致研究塑料齿轮啮合区域的热特性特别复杂。局部温升过高时,会发生齿而烧伤或熔化等与金属齿轮不同的损伤形式;同时,热失效还将降低塑料齿轮精度。因此,塑料齿轮齿而温度分布的研究是塑料齿轮设计的重要内容。本研究中大家应用MarcApp的有限元分析法来对塑料齿轮啮合区的温度场进行模拟,研究啮合齿瞬态温度。
      使用MarcApp进行热分析时,一般要进行以下步骤:(1)创建或读入几何模型;(2)划分有限元网格;(3)定义材料属性;(4)设定边界条件及施加载荷;(5)定义热分析类型;(6)提交Marc进行有限元分析;(7)结果后处理。
      本研究中使用接触来模拟摩擦,用Prony级数来表达塑料斜齿轮的弹性,使用多场耦合来进行热分析。
      本研究的对象为塑料-金属斜齿轮副,考虑使用润滑油的工况,有限元分析中若考虑温度场,结构场和流场的耦合关系,有限元仿真结果会更精确一些。
      (1)结构场和温度场的关系。温度场通过温度影响结构场的应力,实际上并不仅仅如此,结构场的诸多物理性质,如弹性、密度等性质都受到温度的影响。
      (2)温度场和流场之间的关系。流场通过流体的流动的速度与压力影响温度场。流场到温度场的耦合,发生在塑料齿轮啮合的外部,是边界耦合的问题。这个方向的耦合起着比较重要作用,不可忽略。
      (3)流场和结构场的关系。本研究中由于考虑的是流体为润滑油,其压力与速度对结构场的影响比较小,因此大家未考虑流场对结构场的耦合关系。
     由于塑料并不是符合胡克定律的弹性体,而是瓢弹性体,其应力响应包括弹性部分和瓢性部分,在载荷作用下弹性部分是即时响应的,而瓢性部分需要经过一段时间才能表现出来。
     本研究中使用的塑料齿轮与金属齿轮的啮合模型由Solidworks建立,读取到Marc中,然后进行几何修改、网格划分、设置边界条件等后续处理的有限元模型。考虑塑料齿轮的瓢弹性会有材料的非线性问题,分析中采用了MSC. Marc中的非线性静态结构分析模块。齿轮的基本参数与结构尺寸如表所示。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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