文档介绍：采用ABAQUS进行齿轮接触应力分析
1 接触理论介绍及其在航空领域中的应用
接触问题是土木、建筑、水利工程、石油化工、机械工程等领域中普遍存在的力学问题。不管在接触边界之间是否有间隙存在,接触作用的出现对结构受载之后的接触状态和应力分布都有直接的影响,一方面通过接触可以提高整个结构的承载力和刚度或者可以起到减震作用;而另一方面也正是因为由于接触的存在,伴随着局部高应力,很容易使材料屈服或发生裂缝,如果再受到循环载荷的影响,还可能产生疲劳失效。所以了解结构的接触状态和应力状态,对结构设计、施工及其补强措施,都有重要的意义。
两个物体在接触面上的相互作用是复杂的高度非线性力学现象,也是发生损伤失效和破坏的主要原因。接触问题存在两个较大的难点:其一,在用户求解问题之前,不知道接触区域;其二,大多数的接触问题需要计算摩擦,可供挑选的几种摩擦定律和模型都是非线性的,使问题的收敛变得困难。
在飞机结构中,缝翼的运动是通过相互啮合的齿轮的旋转带动的,发动机带动齿轮的旋转是缝翼机构运动的动力来源。齿轮是机械中广泛应用的传动零件之一,它具有功率范围大,传动效率高、传动比准确、使用寿命长等特点。但从零件的失效情况来看,齿轮也是最容易出现故障的零件之一。据统计,在各种机械故障中,齿轮失效就占总数的60%以上,其中齿面损坏又是齿轮失效的主要原因之一。传动齿轮复杂的应力分布情况和变形机理又是造成齿轮设计困难的主要原因。为此,人们对齿面接触及其应力分布进行了大量的研究。有限元理论和各种有限元分析软件的出现,让普通设计人员无需对齿轮受力作大量的计算和研究就可以基本掌握齿轮的受力和变形情况,并可利用有限元软件进行结果分析,找出设计中的薄弱环节,进而达到对齿轮进行改进设计的目的。
2 采用ABAQUS进行齿轮接触分析的合理性
齿轮结构对缝翼的运动起着决定性的作用,如果齿轮的接触不能满足强度要求,缝翼机构的运动将会受到严重影响。因此对齿轮进行接触应力分析在缝翼的运动过程中具有重要的意义。
由于传统的赫兹理论是在许多假设前提下推导出的近似解,而在许多场合下这些假设是不成立的,因此运用赫兹理论来解决接触问题存在一定局限性。ABAQUS是国际公认的最好的CAE大型通用分析软件之一,以精于复杂的非线性问题的求解而见长,其非线性力学分析功能达到世界领先水平,能解决所有赫兹接触问题,且计算结果精度较高。所以这里采用ABAQUS有限元分析软件对缝翼结构中的齿轮接触进行接触分析。
针对飞机缝翼结构中的接触问题,应用ABAQUS有限元分析软件,真实的模拟了缝翼结构中齿轮啮合的接触关系,进而得到其近似真实的应力分布。将有限元分析结果同赫兹理论的计算结果进行了对比,并分析了产生误差的原因。
图1为齿轮齿条带动缝翼结构运动的示意图:
图1 齿轮齿条带动缝翼结构运动的示意图
3 齿轮接触的有限元分析及其求解过程
缝翼结构中齿轮齿条的接触问题
飞机的前缘缝翼是民用客机中机翼常用的增升活动面,常规缝翼是通过齿轮齿条的接触带动滑轨在滑轮组架中的运动来改变机翼的翼型,以达到增加升力的目的。齿轮带动齿条的转动就是一个典型的接触问题。齿轮的失效主要是轮齿的失效。齿轮其它部分的刚度和强度都较富裕,很少发生破坏。常见的失效形式有以下几种:轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损。这里通过采用A