一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法
2023-11-07 02:54:32
一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法
【專利摘要】一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，它有七大步驟：一、確定齒輪系的嚙合產熱模型；二、確定經驗模型的各項參數；三、計算產熱及分配產熱功率；四、傳熱分析計算穩態溫度場；五、穩態溫度場解析表達；六、離散齒輪系的一個旋轉周期及熱固耦合靜力計算；七、插值計算一個循環周期內的應力場。本發明可以計算齒輪系的穩態溫度場，並可以進行熱固耦合下的應力場計算。它提供了一種將複雜物理過程簡化組合的思路，對於其他力學仿真具有重要的借鑑意義。
【專利說明】一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，它是用與齒輪系耐 久性分析的應力分析方法，本方法主要考慮了兩個問題，第一是齒輪系的摩擦生熱帶來的 熱固耦合問題；第二是考慮了齒輪系嚙合傳遞過程中的應力時變問題。屬於機械產品耐久 性設計分析【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 機械產品的耐久性分析大都建立在精確的應力分析基礎上，可以說應力分析的準 確與否直接影響耐久性的分析精度與可信性。目前，齒輪系的應力分析大都局限於靜力分 析，由於齒輪系在嚙合過程中還要受到自身嚙合產熱的影響（尤其對於重載齒輪系更加明 顯），所以在溫度場對應力場的影響是不可忽略的。另一方面傳統的強度校核過程，取危險 截面進行強度校核即可，但耐久性分析要求得到工作剖面上完整的時變應力場。
[0003] 本發明提供了一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，首先在傳統的計 算靜應力分布的基礎上，以齒輪系統為研究對象，綜合考慮齒輪嚙合產熱及向環境散熱過 程得到穩態溫度場的影響，得到熱固耦合情況下的靜力分析結果。其次考慮齒輪嚙合過程 的周期性，離散齒輪嚙合過程，以離散點為樣本點進行熱固耦合計算，最後以樣本點作為基 本數據進行插值計算，得到齒輪嚙合周期的考慮了熱固耦合的時變的應力場。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法。
[0005] 本發明是通過以下技術方案實現的，首先選擇齒輪系的產熱經驗模型，然後對齒 輪系的進行具體分析，得到齒輪系的產熱相關參數。另一方面根據齒輪系的實際工況和潤 滑狀態得到另一部分產熱相關參數。計算齒輪系的產熱功率後，將所得產熱功率進行分配， 得到每個齒輪的產熱功率。然後對齒輪系進行Fluent流體傳熱仿真，得到齒輪系的穩態溫 度場。將溫度場作為載荷施加到靜力分析上，得到熱固耦合情況下的應力結果。在靜力分 析上要同時施加轉速，以便得到考慮離心力情況下的計算結果。將齒輪的一個選擇周期進 行離散化，每一個離散點作為一個樣本點分別進行靜力分析。然後對樣本點的計算結果進 行插值計算得到整個旋轉周期內的時變應力場。
[0006] 本發明是一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，該方法具體步驟如 下：
[0007] 步驟一：確定齒輪系的嚙合產熱模型
[0008] 齒輪系嚙合產熱有多種模型，目前最為常見的是根據油膜模型推倒的理論模型和 在實踐中總結出的經驗模型。由於經驗模型參數簡單精度良好所以本發明選擇Anderson andLoewenthal經驗模型。
[0009] 步驟二：確定經驗模型的各項參數
[0010] AndersonandLoewenthal經驗模型的參數分為三部分：齒輪對形狀參數、潤滑狀 態參數和工況參數。所以要確定這些參數需要對齒輪對、潤滑狀態和工況進行分析。需要 確定的參數有八個，分別是齒寬、傳遞功率、主動齒輪轉速、壓力角、主動齒輪齒數、從動輪 齒數、潤滑油動力粘度以及模數。
[0011] 步驟三：計算產熱及分配產熱功率
[0012] 根據產熱模型分別計算每一對齒輪的產熱功率。假設一對齒輪的嚙合產熱過程中 熱量是均勻傳導到兩個齒輪上。把齒輪對的產熱功率均分到兩個齒輪上，得到每一個齒輪 的產熱功率。
[0013] 步驟四：傳熱分析計算穩態溫度場
[0014] 齒輪系大都包括潤滑和降溫系統，所以齒輪系在產熱時還包括傳熱過程並最終達 到一個穩態溫度場。本發明採用Fluent有限元軟體對傳熱進行分析。
[0015] 步驟五：穩態溫度場解析表達
[0016] 在Fluent熱傳導分析步驟中，對齒輪的形狀進行了相應的簡化，簡化成了相應的 圓盤，最後得到的穩態溫度場是圓盤半徑的函數。通過對穩態溫度場的插值計算得到相應 的解析的溫度場的表達式，並以此作為整個齒輪的溫度分布函數。
[0017] 步驟六：離散齒輪系的一個旋轉周期及熱固耦合靜力計算
[0018] 齒輪系的應力場具有周期性，其周期性是本齒輪的一個旋轉周期。所以計算一個 旋轉周期內的應力場即可。把一個旋轉周期離散為若干樣本點分別進行計算。步驟五得到 的穩態溫度場作為載荷施加到靜力分析模型上，同時應該施加轉速載荷以便考慮齒輪系離 心力的作用。進行應力仿真得到具體嚙合狀況下的應力場分布。
[0019] 步驟七：插值計算一個循環周期內的應力場
[0020] 以上計算的到的應力場都是樣本點的計算結果，將樣本點的計算結果進行插值計 算，即可得到循環周期內的時變應力場。
[0021] 其中，步驟三、步驟五以及步驟七所述的操作均通過MATLAB編程計算完成。
[0022] 其中，步驟六通過ANSYS有限元軟體進行計算，熱固耦合應力仿真計算的步驟包 括：設置接觸方式，模型網格劃分，施加扭矩、溫度載荷、旋轉載荷及約束，應力結果分析。
[0023] 本發明是一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，具有以下優點：
[0024] 1.本發明可以計算齒輪系的穩態溫度場，並可以進行熱固耦合下的應力場計算。
[0025] 2.本發明通過離散旋轉周期，計算樣本點的應力場，並對樣本點結果進行插值，可 得到一個周期內的應力場變化情況，通過靜態的應力場得到了時變的應力場。
[0026] 3.本發明是通過計算樣本點的應力場得到時變的應力場的，由於樣本點的計算是 靜力計算，其計算速度快、精度高，而且計算方法易於普通工程師掌握。
[0027] 4.本發明提供了一種將複雜物理過程簡化組合的思路，對於其他力學仿真具有重 要的借鑑意義。一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明的流程框圖
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合具體的某齒輪系考慮熱固耦合的時變應力場計算過程對本發明做進 一步詳細說明。
[0030] 本發明是一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，見圖1所示，其具體 實施步驟如下：
[0031] 步驟一：齒輪系嚙合產熱模型的確定
[0032] 齒輪系嚙合產熱有多種模型模型，目前最為常見的是根據油膜模型推倒的理論 模型和在實踐中總結出的經驗模型。由於經驗模型參數簡單精度良好所以本發明選擇 AndersonandLoewenthal經驗模型。AndersonandLoewenthal法將齒輪的功率分為三 部分：滑動、滾動和風阻損失。由於風阻損失較小，忽略風阻損失。滑動損失及滾動損失分 別由以下公式確定：
[0033]
【權利要求】
1. 一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，其特徵在於：該方法具體步驟如 下： 步驟一：確定齒輪系的嚙合產熱模型 齒輪系嚙合產熱有多種模型，目前最為常見的是根據油膜模型推倒的理論模型和 在實踐中總結出的經驗模型，由於經驗模型參數簡單精度良好，所以選擇Anderson and Loewenthal經驗模型； 步驟二：確定經驗模型的各項參數 Anderson and Loewenthal經驗模型的參數分為三部分：齒輪對形狀參數、潤滑狀態參 數和工況參數，所以要確定這些參數需要對齒輪對、潤滑狀態和工況進行分析；需要確定的 參數有八個，分別是齒寬、傳遞功率、主動齒輪轉速、壓力角、主動齒輪齒數、從動輪齒數、潤 滑油動力粘度以及模數； 步驟三：計算產熱及分配產熱功率 根據產熱模型分別計算每一對齒輪的產熱功率；假設一對齒輪的嚙合產熱過程中熱量 是均勻傳導到兩個齒輪上，把齒輪對的產熱功率均分到兩個齒輪上，得到每一個齒輪的產 熱功率； 步驟四：傳熱分析計算穩態溫度場 齒輪系大都包括潤滑和降溫系統，所以齒輪系在產熱時還包括傳熱過程並最終達到一 個穩態溫度場，採用Fluent有限元軟體對傳熱進行分析； 步驟五：穩態溫度場解析表達 在Fluent熱傳導分析步驟中，對齒輪的形狀進行了相應的簡化，簡化成了相應的圓 盤，最後得到的穩態溫度場是圓盤半徑的函數；通過對穩態溫度場的插值計算得到相應的 解析的溫度場的表達式，並以此作為整個齒輪的溫度分布函數； 步驟六：離散齒輪系的一個旋轉周期及熱固耦合靜力計算 齒輪系的應力場具有周期性，其周期性是本齒輪的一個旋轉周期，所以計算一個旋轉 周期內的應力場即可；把一個旋轉周期離散為複數個樣本點分別進行計算，步驟五得到的 穩態溫度場作為載荷施加到靜力分析模型上，同時應該施加轉速載荷以便考慮齒輪系離心 力的作用，進行應力仿真得到具體嚙合狀況下的應力場分布； 步驟七：插值計算一個循環周期內的應力場 以上計算的到的應力場都是樣本點的計算結果，將樣本點的計算結果進行插值計算， 即得到循環周期內的時變應力場。
2. 根據權利要求1所述的一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，其特徵在 於：步驟三、步驟五以及步驟七所述的操作均通過MATLAB編程計算完成。
3. 根據權利要求1所述的一種考慮熱固耦合的齒輪系時變應力場計算方法，其特徵在 於：步驟六通過ANSYS有限元軟體進行計算，熱固耦合應力仿真計算的步驟包括：設置接觸 方式，模型網格劃分，施加扭矩、溫度載荷、旋轉載荷及約束和應力結果分析。
【文檔編號】G06F19/00GK104361220SQ201410602264
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】康銳, 信陽陽, 陳雲霞, 井海龍 申請人:北京航空航天大學