一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法
【专利摘要】一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，它有七大步骤：一、确定齿轮系的啮合产热模型；二、确定经验模型的各项参数；三、计算产热及分配产热功率；四、传热分析计算稳态温度场；五、稳态温度场解析表达；六、离散齿轮系的一个旋转周期及热固耦合静力计算；七、插值计算一个循环周期内的应力场。本发明可以计算齿轮系的稳态温度场，并可以进行热固耦合下的应力场计算。它提供了一种将复杂物理过程简化组合的思路，对于其他力学仿真具有重要的借鉴意义。
【专利说明】一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，它是用与齿轮系耐 久性分析的应力分析方法，本方法主要考虑了两个问题，第一是齿轮系的摩擦生热带来的 热固耦合问题；第二是考虑了齿轮系啮合传递过程中的应力时变问题。属于机械产品耐久 性设计分析【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 机械产品的耐久性分析大都建立在精确的应力分析基础上，可以说应力分析的准 确与否直接影响耐久性的分析精度与可信性。目前，齿轮系的应力分析大都局限于静力分 析，由于齿轮系在啮合过程中还要受到自身啮合产热的影响（尤其对于重载齿轮系更加明 显），所以在温度场对应力场的影响是不可忽略的。另一方面传统的强度校核过程，取危险 截面进行强度校核即可，但耐久性分析要求得到工作剖面上完整的时变应力场。
[0003] 本发明提供了一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，首先在传统的计 算静应力分布的基础上，以齿轮系统为研究对象，综合考虑齿轮啮合产热及向环境散热过 程得到稳态温度场的影响，得到热固耦合情况下的静力分析结果。其次考虑齿轮啮合过程 的周期性，离散齿轮啮合过程，以离散点为样本点进行热固耦合计算，最后以样本点作为基 本数据进行插值计算，得到齿轮啮合周期的考虑了热固耦合的时变的应力场。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的，首先选择齿轮系的产热经验模型，然后对齿 轮系的进行具体分析，得到齿轮系的产热相关参数。另一方面根据齿轮系的实际工况和润 滑状态得到另一部分产热相关参数。计算齿轮系的产热功率后，将所得产热功率进行分配， 得到每个齿轮的产热功率。然后对齿轮系进行Fluent流体传热仿真，得到齿轮系的稳态温 度场。将温度场作为载荷施加到静力分析上，得到热固耦合情况下的应力结果。在静力分 析上要同时施加转速，以便得到考虑离心力情况下的计算结果。将齿轮的一个选择周期进 行离散化，每一个离散点作为一个样本点分别进行静力分析。然后对样本点的计算结果进 行插值计算得到整个旋转周期内的时变应力场。
[0006] 本发明是一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，该方法具体步骤如 下：
[0007] 步骤一：确定齿轮系的啮合产热模型
[0008] 齿轮系啮合产热有多种模型，目前最为常见的是根据油膜模型推倒的理论模型和 在实践中总结出的经验模型。由于经验模型参数简单精度良好所以本发明选择Anderson andLoewenthal经验模型。
[0009] 步骤二：确定经验模型的各项参数
[0010] AndersonandLoewenthal经验模型的参数分为三部分：齿轮对形状参数、润滑状 态参数和工况参数。所以要确定这些参数需要对齿轮对、润滑状态和工况进行分析。需要 确定的参数有八个，分别是齿宽、传递功率、主动齿轮转速、压力角、主动齿轮齿数、从动轮 齿数、润滑油动力粘度以及模数。
[0011] 步骤三：计算产热及分配产热功率
[0012] 根据产热模型分别计算每一对齿轮的产热功率。假设一对齿轮的啮合产热过程中 热量是均匀传导到两个齿轮上。把齿轮对的产热功率均分到两个齿轮上，得到每一个齿轮 的产热功率。
[0013] 步骤四：传热分析计算稳态温度场
[0014] 齿轮系大都包括润滑和降温系统，所以齿轮系在产热时还包括传热过程并最终达 到一个稳态温度场。本发明采用Fluent有限元软件对传热进行分析。
[0015] 步骤五：稳态温度场解析表达
[0016] 在Fluent热传导分析步骤中，对齿轮的形状进行了相应的简化，简化成了相应的 圆盘，最后得到的稳态温度场是圆盘半径的函数。通过对稳态温度场的插值计算得到相应 的解析的温度场的表达式，并以此作为整个齿轮的温度分布函数。
[0017] 步骤六：离散齿轮系的一个旋转周期及热固耦合静力计算
[0018] 齿轮系的应力场具有周期性，其周期性是本齿轮的一个旋转周期。所以计算一个 旋转周期内的应力场即可。把一个旋转周期离散为若干样本点分别进行计算。步骤五得到 的稳态温度场作为载荷施加到静力分析模型上，同时应该施加转速载荷以便考虑齿轮系离 心力的作用。进行应力仿真得到具体啮合状况下的应力场分布。
[0019] 步骤七：插值计算一个循环周期内的应力场
[0020] 以上计算的到的应力场都是样本点的计算结果，将样本点的计算结果进行插值计 算，即可得到循环周期内的时变应力场。
[0021] 其中，步骤三、步骤五以及步骤七所述的操作均通过MATLAB编程计算完成。
[0022] 其中，步骤六通过ANSYS有限元软件进行计算，热固耦合应力仿真计算的步骤包 括：设置接触方式，模型网格划分，施加扭矩、温度载荷、旋转载荷及约束，应力结果分析。
[0023] 本发明是一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，具有以下优点：
[0024] 1.本发明可以计算齿轮系的稳态温度场，并可以进行热固耦合下的应力场计算。
[0025] 2.本发明通过离散旋转周期，计算样本点的应力场，并对样本点结果进行插值，可 得到一个周期内的应力场变化情况，通过静态的应力场得到了时变的应力场。
[0026] 3.本发明是通过计算样本点的应力场得到时变的应力场的，由于样本点的计算是 静力计算，其计算速度快、精度高，而且计算方法易于普通工程师掌握。
[0027] 4.本发明提供了一种将复杂物理过程简化组合的思路，对于其他力学仿真具有重 要的借鉴意义。一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的流程框图
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合具体的某齿轮系考虑热固耦合的时变应力场计算过程对本发明做进 一步详细说明。
[0030] 本发明是一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，见图1所示，其具体 实施步骤如下：
[0031] 步骤一：齿轮系啮合产热模型的确定
[0032] 齿轮系啮合产热有多种模型模型，目前最为常见的是根据油膜模型推倒的理论 模型和在实践中总结出的经验模型。由于经验模型参数简单精度良好所以本发明选择 AndersonandLoewenthal经验模型。AndersonandLoewenthal法将齿轮的功率分为三 部分：滑动、滚动和风阻损失。由于风阻损失较小，忽略风阻损失。滑动损失及滚动损失分 别由以下公式确定：
[0033]
【权利要求】
1. 一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，其特征在于：该方法具体步骤如 下： 步骤一：确定齿轮系的啮合产热模型 齿轮系啮合产热有多种模型，目前最为常见的是根据油膜模型推倒的理论模型和 在实践中总结出的经验模型，由于经验模型参数简单精度良好，所以选择Anderson and Loewenthal经验模型； 步骤二：确定经验模型的各项参数 Anderson and Loewenthal经验模型的参数分为三部分：齿轮对形状参数、润滑状态参 数和工况参数，所以要确定这些参数需要对齿轮对、润滑状态和工况进行分析；需要确定的 参数有八个，分别是齿宽、传递功率、主动齿轮转速、压力角、主动齿轮齿数、从动轮齿数、润 滑油动力粘度以及模数； 步骤三：计算产热及分配产热功率 根据产热模型分别计算每一对齿轮的产热功率；假设一对齿轮的啮合产热过程中热量 是均匀传导到两个齿轮上，把齿轮对的产热功率均分到两个齿轮上，得到每一个齿轮的产 热功率； 步骤四：传热分析计算稳态温度场 齿轮系大都包括润滑和降温系统，所以齿轮系在产热时还包括传热过程并最终达到一 个稳态温度场，采用Fluent有限元软件对传热进行分析； 步骤五：稳态温度场解析表达 在Fluent热传导分析步骤中，对齿轮的形状进行了相应的简化，简化成了相应的圆 盘，最后得到的稳态温度场是圆盘半径的函数；通过对稳态温度场的插值计算得到相应的 解析的温度场的表达式，并以此作为整个齿轮的温度分布函数； 步骤六：离散齿轮系的一个旋转周期及热固耦合静力计算 齿轮系的应力场具有周期性，其周期性是本齿轮的一个旋转周期，所以计算一个旋转 周期内的应力场即可；把一个旋转周期离散为复数个样本点分别进行计算，步骤五得到的 稳态温度场作为载荷施加到静力分析模型上，同时应该施加转速载荷以便考虑齿轮系离心 力的作用，进行应力仿真得到具体啮合状况下的应力场分布； 步骤七：插值计算一个循环周期内的应力场 以上计算的到的应力场都是样本点的计算结果，将样本点的计算结果进行插值计算， 即得到循环周期内的时变应力场。
2. 根据权利要求1所述的一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，其特征在 于：步骤三、步骤五以及步骤七所述的操作均通过MATLAB编程计算完成。
3. 根据权利要求1所述的一种考虑热固耦合的齿轮系时变应力场计算方法，其特征在 于：步骤六通过ANSYS有限元软件进行计算，热固耦合应力仿真计算的步骤包括：设置接触 方式，模型网格划分，施加扭矩、温度载荷、旋转载荷及约束和应力结果分析。
【文档编号】G06F19/00GK104361220SQ201410602264
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】康锐, 信阳阳, 陈云霞, 井海龙 申请人:北京航空航天大学