基于 ANSYS/LS-DYNA 齿轮动态接触分析

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基于 ANSYS/LS-DYNA 齿轮动态接触分析

LS-DYNA程序概述

近年来，非线性结构动力仿真方面的研究工作和工程应用都取得了巨大的发展。自从显式动力分析软件 LS-DYNA 被引入中国后，在相关的工程领域很快得到广泛应用，已成为目前国内科研人员开展数值试验的得力工具。考虑到动力学分析相比静力学分析更加贴近实际情况，并且为了能更直观、更准确地模拟齿轮啮合运转过程，所以采用 LS-DYNA 进行齿轮动态啮合仿真是必要的。

LS-DYNA 是功能齐全的多种非线性分析程序，其能够处理各种复杂的非线性问题。以显式求解为主，同时兼有隐式求解的功能。以结构动态非线性问题分析为主，同时又兼顾热力学、流体动力学等问题求解。它的算法更是复杂多样，且功能丰富，可以进行非线性动力学分析，也可以分析静力问题。

LS-DYNA 具有丰富的单元库，具有二维和三维实体单元，薄和厚壳单元，各单元对应多种不同的算法，能够模拟各种杆件机构、实体结构及板壳结构等。在接触分析方面，LS-DYNA 的全自动接触分析功能非常灵活易用。针对不同的工程接触问题，具有 50 多种可以选择的接触分析方式，可以模拟分析多种物体之间的接触。

定义单元类型和材料属性

在动态接触分析中，选择的实体单元是solid164，该单元是 8 个节点的六面体单元，同时将单元设置为多点高斯积分单元，不需要沙漏控制。但是由于在LS-DYNA 中 solid164 单元是不具有旋转自由度，不能直接通过给它施加转速和转矩使齿轮转动来实现接触分析。为了方便进行施加转速和转矩的操作，选用shell163 单元定义齿轮内圈表面，并把定义为刚性体。shell163 单元是一个 4 节点的四边形单元，有 11 种算法，本文选择使用最快速的 S/R  Hughes-Liu 面内多积分点改进型单元算法，这是因为其能够恰当的解释扭曲等变形，可选择用简化积分代替使用沙漏控制的一点积分。

在 LS-DYNA 中，把有限元模型中的刚硬部分定义为刚性体可以减少计算时间，大大提高工作效率。在此，将齿轮内圈定义为刚性体，刚性体内全部节点的自由度都会耦合到刚体的质量中心上，因此无论刚性体上定义了多少节点，刚体都仅有 6 个自由度。每个刚性体质量、惯性以及质心都是由刚性体的体积和材料的密度来计算得到。刚性体上的作用力及力矩是由每个时间步的节点力和力矩合成，接着就能计算刚性体的运动，通过换算刚性体质量中心的位移和旋转角度来得到节点的位移。齿轮的材料属性和静态的材料一样。对于 shell163 刚性体单元，设置材料属性时需要一起设置它的平移和旋转约束参数，这里对两个齿轮选择约束 x、y、z 方向平移和约束 x、y 方向旋转，以实现齿轮只具有旋转自由度。