CN106021721B - 一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及cae系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及CAE系统，该仿真分析方法先建立渗碳圆柱齿轮单齿轮廓曲面并分层建立均质渗碳层，再利用有限元软件对渗碳齿轮副有限元建模，借助有限元软件对渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析及最劣受载位置齿轮副静接触分析，最后根据分析结果对渗碳齿轮副进行性能评价，为后续的渗碳齿轮结构优化与渗碳工艺改进提供依据，同时基于该方法对ANSYS软件进行二次开发后得到CAE系统。该方法弥补了现有技术无法对渗碳齿轮有效分析的缺陷，替代了传统技术对待渗碳齿轮做均质材料处理的做法，本发明参数化仿真分析方法操作方便，分析结果精确，能够准确模拟并分析渗碳齿轮的实际状况。

Description

一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及CAE系统

技术领域

本发明涉及一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法及CAE系统，属于渗碳圆柱齿轮技术领域。

背景技术

圆柱齿轮是机械传动中应用广泛的传动零件，在生产实践中，常常对齿轮进行渗碳处理来提高齿轮表面的强度、硬度、耐磨性和耐疲劳性，其主要应用在汽车、拖拉机、矿山机械等对齿轮冲击较大的场合。齿轮经过渗碳处理后，在齿轮表层形成渗碳层，且渗碳层不同深度处的碳浓度均不相同，从外层到里层逐渐减小，因此渗碳齿轮的材料特性从表层到里层呈非线性变化。齿轮的材料特性是影响齿轮工作性能的重要因素，也是齿轮结构设计与优化的基础条件，但是传统的齿轮设计方法只适用于均质齿轮材料，无法对渗碳齿轮进行精确的强度计算与性能分析，在计算中通常将其视为均质材料处理，为了保证性能要求，在渗碳齿轮加工完成后通常要进行强度测试，这种方法不仅费时费力，且不能用于渗碳齿轮的设计计算与结构优化。随着CAD/CAE技术的发展，可以利用三维仿真分析技术对各种齿轮机构进行实体建模与仿真分析，但现有技术绝大多数都只涉及非渗碳齿轮，缺乏对渗碳齿轮的建模与分析技术进行系统性的研究。

由于渗碳齿轮在结构、材料与工作性能方面都与非渗碳齿轮有较大差异，为了实现渗碳齿轮的精确设计与结构优化，有必要对渗碳齿轮的参数化实体建模与啮合性能仿真分析技术进行系统的研究与实现，以弥补现有技术中的不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，利用该仿真分析方法，可以实现对渗碳圆柱齿轮参数化的分析以及在此基础上实现渗碳圆柱齿轮的有限元建模，为渗碳圆柱齿轮渗碳层以及主从动轮啮合性能提供准确的研究。

本发明还提供一种基于渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法的CAE系统。

本发明的技术方案如下：

一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，包括以下步骤，

(1)原始参数获取：根据实际工况要求，获取渗碳圆柱齿轮的原始参数，原始参数包括齿形参数、材料参数和工况参数；其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度，材料参数包括主从动轮齿轮本体材料特性参数和主从动轮渗碳层表面材料特性参数，齿轮本体材料特性参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳层表面材料特性参数通过实验或查表获取，工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数；

(2)建立渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面：依据齿轮结构原理，分别建立渗碳圆柱齿轮单个轮齿的齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面的参数方程，然后从齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面上按照行列关系和曲面的弯曲程度提取相应的曲面点阵，要求各曲面点阵沿齿宽方向的点数相同，将提取的曲面点阵合并成一个曲面型值点阵，然后采用B样条插值原理将曲面型值点阵插值成一张双三次B样条曲面，此曲面即为渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面；

(3)分层建立均质渗碳层：根据步骤(1)中获取的渗碳圆柱齿轮的原始参数，确定渗碳层层数为3-6层，利用各渗碳层厚度之间的关系，确定各渗碳层厚度，以各渗碳层厚度作为偏距，依次建立轮齿齿廓曲面的内等距曲面，从而得到相应的均质渗碳层分层面，从外到里依次为第一均质渗碳层、第二均质渗碳层……第N(N＝三、四、五……)均质渗碳层；

(4)渗碳齿轮副有限元建模：根据步骤(3)生成的均质渗碳层分层面，利用有限元软件生成一个完整的渗碳轮齿实体，并对生成的渗碳轮齿实体建立映射网格模型，周向阵列得到整体齿轮有限元网格模型；再利用有限元软件的网格细化功能对参与啮合的轮齿进行网格加密，依此建立主、从动轮的有限元模型，并根据主、从动轮的运动关系实现齿轮副的无侧隙装配；

(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析：在步骤(4)完成渗碳齿轮副有限元建模后，根据步骤(1)获取的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷，利用有限元软件对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析，分别获取渗碳齿轮副在任意位置啮合时齿轮各部位的应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差值、齿面接触应力和齿根弯曲应力的最大值及其对应的部位、渗碳层的最大剪切应力，并根据获取的结果数据绘制出主从动轮不同渗碳层之间的最大应力差、最大齿面接触应力、最大齿根弯曲应力、渗碳层的最大剪切应力在齿轮啮合过程中的时间历程曲线；

(6)最劣受载位置齿轮副静接触分析：通过步骤(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，分析齿轮副在这五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性，根据齿轮传动原理分别旋转主从动轮齿轮副有限元模型，使齿轮副分别在这五个最劣受载啮合位置啮合，利用有限元软件的静接触分析功能定义接触、进行加载和约束、设置载荷加载方式和载荷步数，启动有限元软件完成求解计算，利用有限元软件的通用后处理功能，读取主从动轮在五个最劣受载啮合位置的极限应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差、沿渗碳层的剪切应力分布，进而获取渗碳圆柱齿轮副的渗碳层应力梯度、齿面接触强度、齿根弯曲强度和渗碳层的剪切强度；

(7)渗碳齿轮副疲劳寿命计算：根据步骤(6)获得的五个最劣受载啮合位置的极限应力和步骤(1)中的材料参数，分别计算渗碳圆柱齿轮副的接触疲劳强度与寿命、弯曲疲劳强度与寿命和轮齿渗碳层剪切疲劳强度与寿命。此设计的好处在于，通过此步骤可以计算渗碳齿轮副的疲劳寿命，并在此基础上对齿轮副的性能进行评价，为后续的渗碳齿轮结构优化与渗碳工艺改进提供依据。

优选的，步骤(3)中，渗碳齿轮的渗碳厚度包括有效硬化层厚度和过渡层厚度，设齿轮渗碳厚度为t，有效硬化层厚度为t_a，过渡层厚度为t_b，将有效硬化层分为f层，过渡层分为h层，自外向里每层渗碳层厚度为t_i(i＝1,2…s)，各渗碳层厚度之间的关系为：

。

优选的，步骤(4)中，利用有限元软件对生成的渗碳轮齿实体建立映射网格模型的具体过程如下：将渗碳齿轮的轮齿实体分割为四个实体部分，分别为轮毂实体部分、齿根实体部分、齿面实体部分和齿顶实体部分，其中轮毂实体部分为单一实体，齿顶实体部分由多层均质渗碳层组成，齿根实体部分、齿面实体部分均由多层均质渗碳层和非渗碳本体层组成，在有限元软件中分别定义渗碳齿轮四个实体部分的材料特性，同时定义相应的面单元类型和体单元类型，然后依次对轮齿的四个实体部分进行有限元网格划分，生成四个实体部分的网格模型后，将网格模型耦合成轮齿的整体网格模型，通过周向阵列复制，得到整体齿轮的有限元映射网格模型。

一种基于渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法的CAE系统，包括原始参数输入存储模块、参数化建立渗碳层模块、参数化齿轮副有限元建模模块、参数化瞬态啮合仿真分析模块、最劣受载位置参数化静接触分析模块和性能评价模块；所述原始参数输入存储模块的输出作为参数化建立渗碳层模块的输入，所述参数化建立渗碳层模块的输出作为参数化齿轮副有限元建模模块的输入，所述参数化齿轮副有限元建模模块的输出作为参数化瞬态啮合仿真分析模块的输入，所述参数化瞬态啮合仿真分析模块的输出作为最劣受载位置参数化静接触分析模块的输入，所述最劣受载位置参数化静接触分析模块的输出作为性能评价模块的输入。

优选的，所述原始参数输入存储模块，用于操作人员根据实际工况要求，输入渗碳圆柱齿轮的齿形参数、材料参数和工况参数，其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳表面的材料特性参数通过实验或查表获取；工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数。

优选的，所述参数化建立渗碳层模块，根据原始参数输入存储模块中的原始参数对渗碳圆柱齿轮的渗碳层进行分层，得到均质渗碳层分层面。

优选的，所述参数化齿轮副有限元建模模块，根据参数化建立渗碳层模块生成的均质渗碳层分层面，通过后台调用APDL命令流生成完整的渗碳轮齿实体并建立主从动轮齿轮副的有限元模型。

优选的，所述参数化瞬态啮合仿真分析模块，根据建立的主从动轮齿轮副的有限元模型，使用原始参数输入存储模块中的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷，调用编制好的APDL命令流对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析。

优选的，所述最劣受载位置参数化静接触分析模块，根据参数化瞬态啮合仿真分析模块获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，分别在这五个最劣受载啮合位置进行静接触分析，得到齿轮副在这五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性。

优选的，所述性能评价模块，根据最劣受载位置参数化静接触分析模块对齿轮副五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性的分析输出，对齿轮副进行性能评价。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可有效建立渗碳圆柱齿轮的实体模型，并通过仿真分析精确获取渗碳齿轮副啮合过程中在任意啮合位置处的啮合性能参数，特别是影响齿轮传动性能及寿命的五个最劣受载位置及其对应的极限应力，准确分析齿轮副的疲劳寿命并进行性能评价，为渗碳齿轮副的结构优化及工艺改进提供依据，有效弥补现有技术难以对渗碳齿轮传动的啮合性能进行精确分析与评价的缺陷。且该仿真分析方法综合利用了有限元瞬态啮合分析与静接触分析的优点，不仅操作方便，计算效率高，而且分析结果准确有效。本发明仿真分析方法既适用于渗碳直齿圆柱齿轮，也适用于渗碳斜齿圆柱齿轮，既适用于齿廓为渐开线的圆柱齿轮，也适用于齿廓曲线为摆线、圆弧和抛物线的圆柱齿轮。

2、基于本发明参数化仿真分析方法设计的CAE系统，实现了渗碳圆柱齿轮副建模、瞬态啮合仿真分析、最劣受载位置静接触分析、齿轮副疲劳寿命分析与性能评价的全过程参数化。技术人员只需输入相关参数，系统自动完成渗碳圆柱齿轮副的建模、分析与评价，不仅操作方便、功能性强、有效提高了渗碳圆柱齿轮传动建模与分析的精度与效率，而且大大降低了对技术人员的技术要求，一般技术人员均可利用该系统完成对渗碳圆柱齿轮的参数化建模及啮合性能仿真分析。

附图说明

图1为渗碳圆柱齿轮轮齿曲面法向偏置及渗碳层的示意图。

图2为渗碳圆柱齿轮轮齿实体分割示意图。

图3为渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析系统结构框图。

其中：1为轮齿曲面型值点阵，2为轮齿齿廓曲面，3为第一均质渗碳层，4为第二均质渗碳层，5、6为轮齿轮毂部分，7、12为轮齿齿根部分，8、11为轮齿齿面部分，9、10为轮齿齿顶部分。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，包括以下步骤，

(1)原始参数获取：根据实际工况要求，获取渗碳圆柱齿轮的原始参数，原始参数包括齿形参数、材料参数和工况参数；其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度，材料参数包括主、从动轮齿轮本体材料特性参数和渗碳层表面材料特性参数，齿轮本体材料特性参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳层表面材料特性参数通过实验或查表获取，工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数；

(2)建立渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面：圆柱齿轮单个轮齿的齿廓曲面由齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面组成，且均为端面齿廓曲线在齿宽方向沿螺旋线扫描得到的螺旋面(直齿圆柱齿轮本质上为螺旋角为0的斜齿圆柱齿轮)。按照齿轮结构原理，分别建立圆柱齿轮单个轮齿的齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面的参数方程，对各曲面参数方程的两个参数域按曲面弯曲程度分别进行均分，得到相应的两个参数序列，利用这两个参数序列可分别从各曲面上提取得到一个曲面点阵。由于轮齿齿廓的各个子曲面弯曲程度不一致，如齿根过渡面曲率较大，齿顶和齿根面曲率较小，为了兼顾建模精度和效率，提取点阵时曲率大的曲面沿齿廓曲线方向取点密一些，曲率小的曲面沿齿廓曲线方向取点稀一些。为了将各曲面点阵进行融合以构建完整的轮齿曲面，各曲面沿齿宽方向的取点数相同，将得到的各曲面点阵按照行列关系进行排序整合，形成一个包含轮齿齿廓曲面各部分的完整的曲面型值点阵P_i,j(i＝0,1,2,...,m，j＝0,1,2,...,n)，如图1所示。对型值点阵进行双三次均匀B样条曲面插值，从而得到完整的轮齿齿廓曲面，即渗碳齿轮轮齿的渗碳表面(如图1中曲面2)。根据曲面插值原理，双三次均匀B样条插值曲面的方程为:

式中，V_i,j(i＝0,1,2,…m+2；j＝0,1,2,…n+2)为根据曲面型值点反算得到的曲面控制点阵，N_i,3(u)和N_j,3(v)分别为u、v方向的3次规范B样条基函数；

(3)分层建立均质渗碳层：根据步骤(1)中的原始参数，确定渗碳部分渗碳层层数s及各渗碳层厚度。在建立齿轮渗碳层模型时，渗碳层层数越多，渗碳齿轮模型越接近实际情况，精度越高，但这会导致建模难度增大、分析效率下降，如果层数过多还有可能导致计算无法进行。在同时考虑建模精度和计算效率的情况下，渗碳部分所取均质渗碳层的总层数一般为3至6层，本实施例中取3层。渗碳齿轮的渗碳厚度包括有效硬化层厚度和过渡层厚度，设齿轮渗碳厚度为t，有效硬化层厚度为t_a，过渡层厚度为t_b，将有效硬化层分为f层，过渡层分为h层，自外向里每层渗碳层厚度为t_i(i＝1,2…s)，它们之间的关系如下：

确定渗碳层层数和各渗碳层厚度之后，根据步骤(2)得到的双三次B样条插值曲面方程(1)，求曲面在各型值点处的单位法矢量。如图1所示，对于齿面上任意一点P_i,j(i＝0,1,2,...,m；j＝0,1,2,...,n)，分别计算曲面在该点处沿u向和v向的切矢量，对两切矢量求叉积，除以其叉积模的大小，就可以得到曲面在该点的单位法矢量n，将该点沿单位法矢量的反向偏移t_i的距离，就可得到该点的法向偏置点P′_i,j。P′_i,j点的坐标由公式(3)求得。

P′_i，j＝P_i，j-t_in(i＝0，1，2，...，m；j＝0，1，2，...，n) (3)

将轮齿齿廓曲面上的每一曲面型值点沿法矢量的反向偏置一定的渗碳层距离t_i，得到一个法向偏置点阵，对该点阵进行双三次B样条曲面插值，得到轮齿齿廓曲面的第一偏置曲面。如图1所示，该偏置曲面与齿廓曲面所围区域为第一均质渗碳层3，以偏置曲面为基面，继续向内建立等距曲面，可围成第二均质渗碳层4，重复上述过程，可依次得到其余渗碳层。

(4)渗碳齿轮副有限元建模：根据步骤(3)生成的各均质渗碳层轮齿曲面，利用有限元ANSYS软件的布尔运算、复制、平移、旋转等造型功能生成一个完整的渗碳轮齿组合实体模型。由于齿轮的失效通常是轮齿的失效，正常情况下轮毂部分极少失效，为了便于后续的有限元分析，将齿轮轮毂靠近轴孔的部分简化为一刚性圆柱面，忽略刚性圆柱面以内轮毂的应力与变形。将步骤(1)中获取的渗碳层表面的材料特性参数作为第一均质渗碳层的材料特性参数，结合渗碳层以内齿轮本体的材料特性参数，利用线性插值方法依次求得其余均质渗碳层的材料特性参数。为了便于生成齿轮有限元映射网格模型，对轮齿实体进行分割。图2所示为渗碳斜齿轮的一个轮齿模型，该模型把轮齿渗碳部分分为三层均质渗碳层，第一、二层为有效硬化层，第三层为过渡层，将轮齿模型按图2所示的方式进行分割，包括轮齿轮毂部分5、6，轮齿齿根部分7、12，轮齿齿面部分8、11，轮齿齿顶部分9、10，其中两个轮齿轮毂部分5、6为单一实体，轮齿齿顶部分9、10由三层均质渗碳层组成，轮齿齿根部分7、12及轮齿齿面部分8、11均由三层均质渗碳层和非渗碳本体层组成，此划分方式共将轮齿分成24个子实体。在有限元软件中分别定义渗碳齿轮各部分的材料特性，同时定义相应的面单元类型和体单元类型，然后依次对轮齿各子实体进行有限元网格划分。由于子实体都是六面体，可采用映射网格，选择适当的网格尺寸参数，对子实体的一个端面划分面网格，然后沿齿宽方向扫掠生成实体网格，生成全部子实体的网格模型后，将网格模型耦合为轮齿的整体网格模型，通过周向阵列复制，得到整体齿轮的有限元映射网格模型。齿轮啮合过程中，各轮齿的受载情况与啮合特性是相同的，为了提高计算效率，对齿轮副进行啮合性能仿真分析时，齿轮副不需要作整周旋转，只需要相对于初始装配位置旋转一定角度，保证有一对齿能完整的实现啮入啮出过程即可，齿轮副旋转的角度根据齿轮副的重合度确定。为了保证分析精度，利用有限元软件的网格细化功能对参与啮合的轮齿进行网格加密。按照上述方法分别建立主、从动轮的简化有限元模型，并根据两齿轮的运动关系实现齿轮副的无侧隙装配。

(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析：建立好渗碳齿轮副有限元网格装配模型后，根据步骤(1)获取的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷,利用有限元软件ANSYS的瞬态分析功能，对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析。为了模拟齿轮绕固定轴线的转动，分别在主、从动轮的中心与其对应的轮毂刚化圆柱面建立点-面接触对，为了模拟齿轮啮合过程中齿面之间的接触行为，在主、从动轮的对应啮合面建立面-面接触对。分别设置各接触对的单元类型并通过设置单元的关键项对接触对进行约束，然后在主动轮上施加转速，从动轮上施加转矩,设置载荷的加载方式、加载时间和载荷步数，选择合适的接触算法启动软件进行求解计算。求解完成后，利用有限元软件的时间历程后处理功能，分别获取渗碳齿轮副在任意位置啮合时齿轮各部位的应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差值，由于齿轮轮齿的常见失效形式为齿面点蚀和齿根折断，因此需获取齿面部位的最大接触应力和齿根部位的最大弯曲应力及其对应的部位，此外，渗碳圆柱齿轮还易出现渗碳层剥落失效，导致失效的原因是渗碳层剪切应力过大，因此还需查看剪切应力沿齿轮渗碳层深度方向的变化结果，根据获取的结果数据可绘制出主从动轮不同渗碳层之间的最大应力差、最大齿面接触应力、最大齿根弯曲应力和渗碳层的最大剪切应力在齿轮啮合过程中的时间历程曲线。

通过上述时间历程曲线可有效获取齿轮副啮合过程中相关啮合性能参数随时间变化的规律，并进而精确获取齿轮副齿面接触应力、主、从动轮齿根弯曲应力和渗碳层剪切应力的最劣受载啮合位置。由于齿轮副瞬态啮合仿真需要分析齿轮副在每一个啮合位置的相关特性，计算量大、计算周期长，对计算机硬件配置要求高，为了提高效率，可以不建立全齿宽齿轮副有限元模型，只建立部分齿宽的薄齿模型，同时将作用在齿轮副上的转矩按齿宽缩减的比例进行缩减，通过大量实例分析表明，采用薄齿模型进行分析，齿轮副的最劣加载位置不受任何影响，但分析效率成倍增加。

(6)最劣受载位置齿轮副静接触分析：通过步骤(5)中齿轮副瞬态啮合性能分析可以精确获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，这五个最劣受载啮合位置并不重合，齿轮副在这些位置的受载情况、应力大小及分布对齿轮副工作性能和寿命影响最大，因此，分别将齿轮副在五个最劣受载位置进行静接触分析，精确分析齿轮副在这些位置啮合时的受载情况及应力特性。根据齿轮副的传动比分别计算出从初始啮合位置到五个最劣受载位置齿轮副所需旋转的角度，旋转主、从动轮齿轮副有限元模型，使齿轮副分别在五个最劣受载位置啮合，利用有限元软件ANSYS的静接触分析功能定义接触、进行加载和约束、设置载荷加载方式和载荷步数，启动软件完成求解计算。利用ANSYS的通用后处理功能，读取主从动轮在最劣受载位置的应力及分布情况，各渗碳层之间的应力差、沿渗碳层的剪切应力分布，并进而获取渗碳圆柱齿轮副的渗碳层应力梯度、齿面接触强度、齿根弯曲强度、渗碳层的剪切强度。

(7)渗碳齿轮副疲劳寿命计算：根据步骤(6)获得的五个最劣受载啮合位置的极限应力和步骤(1)中的材料参数，可分别得到主从动轮不同渗碳深度处的应力梯度，渗碳齿轮副的接触疲劳强度与寿命、弯曲疲劳强度与寿命和轮齿渗碳层剪切疲劳强度与寿命，并在此基础上对渗碳齿轮副的强度与寿命等关键性能参数进行评价，为后续的渗碳齿轮结构优化与渗碳工艺改进提供依据。渗碳齿轮副的强度与寿命首先应满足设计要求，若强度或寿命偏低，需重新设计齿轮结构或改进渗碳工艺；若强度和寿命过高，则需对齿轮结构或渗碳工艺进行优化。若渗碳齿轮副沿渗碳深度方向的应力梯度过大，则需改进渗碳浓度、渗碳温度、保温时间等渗碳工艺参数。

实施例2：

如图3所示，一种基于渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法的CAE系统，基于VisualC++2012对ANSYS14.5进行二次开发，实现渗碳圆柱齿轮副的参数化有限元建模、参数化瞬态啮合仿真分析、最劣受载位置参数化静接触分析及性能评价的整个仿真过程，所述系统基于Visual C++2012平台构建的，使用微软MFC结合ANSYS参数化设计语言APDL命令编写，系统结构基于对话框设计而成。

该CAE系统包括以下模块：

原始参数输入存储模块1：该模块用于根据实际工况要求，输入渗碳圆柱齿轮的原始参数包括齿轮齿形参数、材料参数和工况参数。其中齿轮齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度，材料参数包括主、从动轮本体(非渗碳层)材料特性参数和渗碳层表面材料特性参数，本体材料特性参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限。该模块包含一个材料特性数据库，数据库里存储了各种常用齿轮材料的材料特性，可通过输入材料名称获取各材料的材料特性，也可随时向数据库里添加新的材料特性参数，渗碳圆柱齿轮啮合分析所用的各种具体材料特性参数通过查表或实验获取。工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数。将这些参数分别按照齿形参数、材料参数和工况参数的分类保存在参数文件中，供后续步骤调用。

参数化建立渗碳层模块2：调用模块1中渗碳圆柱齿轮的原始参数，按照齿轮结构原理，生成单个轮齿齿面型值点阵，利用型值点阵插值生成双三次均匀B样条曲面，即为渗碳圆柱齿轮单个轮齿齿廓曲面。根据渗碳深度和渗碳层表面与齿轮非渗碳部分的材料参数的差值确定渗碳层层数s及各渗碳层厚度。求齿廓曲面上各型值点处对应的法矢量，在曲面型值点阵中的每一点沿法矢量反向向内偏置渗碳层厚度的距离，获得一个新的法向偏置点阵，将该点阵拟合成双三次B样条曲面，得到第一渗碳层对应的边界齿廓曲面，以该曲面为基准面，继续向内建立等距曲面，重复上述过程，得到齿轮渗碳部分的s层渗碳层。

参数化齿轮副有限元建模模块3：调用模块2生成的各渗碳层轮齿齿廓面，确定刚性圆柱面半径的大小，调取编写好的APDL命令流，对渗碳层进行布尔运算、复制、平移、旋转等操作，生成一个简化的渗碳轮齿组合实体模型。渗碳层表面的材料特性参数作为第一均质渗碳层的材料特性参数，结合渗碳层以内齿轮本体材料特性参数，利用线性插值方法依次求得其余均质渗碳层的材料特性参数。分割轮齿实体模型，对渗碳和非渗碳部分的各个实体分别定义材料特性，同时定义面单元类型和体单元类型，确定各实体的网格尺寸参数，在轮齿的一个端面进行网格划分，沿齿宽方向扫掠生成实体网格模型，将生成的各实体网格模型耦合为轮齿的整体网格模型。按照上述方法分别建立主、从动轮的轮齿网格模型，通过阵列得到相应的主、从动轮简化有限元模型，并根据两轮的运动关系实现齿轮副的无侧隙装配。根据齿轮重合度计算齿轮啮合时单个轮齿完成实现啮入啮出过程所对应的转角及对应的时间，确定主从动轮参与啮合的轮齿，并对这些轮齿的网格进行加密。

参数化瞬态啮合仿真分析模块4：调用模块3生成的渗碳圆柱齿轮副有限元模型，调整齿轮副的啮合位置，根据渗碳齿轮的工况，调用模块1的渗碳圆柱齿轮的工况参数，对有限元模型施加载荷和约束、定义接触对及设定求解参数，后台调用ANYSYS软件的瞬态接触分析功能对齿轮副进行瞬态啮合仿真分析。分析完成后系统自动获取并存储渗碳齿轮副啮合过程中齿面接触应力、齿根弯曲应力、渗碳层剪切应力的时间历程曲线，可根据需要在系统主界面视图区调用查看。系统还精确提取并存储齿轮副啮合过程中最大齿面接触应力、主、从动轮最大齿根弯曲应力和主、从动轮渗碳层最大剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置的位置参数，并以列表方式显示在系统主界面，以供后续模块调用。

最劣受载位置参数化静接触分析模块5：调用模块4得到的五个最劣受载啮合位置，后台调用基于APDL编制的模型调整程序分别调整齿轮副有限元装配模型，使之分别在五个最劣受载位置啮合，后台调用ANSYS软件的静接触分析功能，分别在五个啮合位置对齿轮副进行静接触分析，分析结束后系统自动获取并存储齿轮副在这五个最劣受载位置啮合时的齿面接触应力云图、齿根弯曲应力云图和渗碳层剪切应力云图，可根据需要在系统主界面视图区调取查看。此外，系统还自动提取并存储齿轮副最大齿面接触应力、主、从动轮最大齿根弯曲应力、主、从动轮渗碳层最大剪切应力的数值及所对应的位置参数，相关结果数据还以列表方式直观显示在系统主界面。

性能评价模块6：调用模块5获得的相关性能参数和模块1中的渗碳齿轮工况参数与材料参数，系统自动计算出渗碳圆柱齿轮副的接触疲劳寿命、弯曲疲劳寿命和轮齿渗碳层剪切疲劳寿命，并在此基础上自动对齿轮副沿渗碳层的应力梯度、表面接触强度、齿根弯曲强度及渗碳层的剪切强度进行性能评价，并以文本文件格式输出评价报告，为后续的渗碳齿轮结构优化与渗碳工艺改进提供依据。

Claims (10)

1.一种渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤，

(1)原始参数获取：根据实际工况要求，获取渗碳圆柱齿轮的原始参数，原始参数包括齿形参数、材料参数和工况参数；其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度，材料参数包括主从动轮齿轮本体材料特性参数和主从动轮渗碳层表面材料特性参数，齿轮本体材料特性参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳层表面材料特性参数通过实验或查表获取，工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数；

(2)建立渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面：依据齿轮结构原理，分别建立渗碳圆柱齿轮单个轮齿的齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面的参数方程，然后从齿面、齿根过渡面、齿根圆面、齿顶圆角面和齿顶面上按照行列关系和曲面的弯曲程度提取相应的曲面点阵，要求各曲面点阵沿齿宽方向的点数相同，将提取的曲面点阵合并成一个曲面型值点阵，然后采用B样条插值原理将曲面型值点阵插值成一张双三次B样条曲面，此曲面即为渗碳圆柱齿轮轮齿齿廓曲面；

(3)分层建立均质渗碳层：根据步骤(1)中获取的渗碳圆柱齿轮的原始参数，选取渗碳层层数s为3-6层，利用各渗碳层厚度之间的关系，确定各渗碳层厚度，以各渗碳层厚度作为偏距，依次建立轮齿齿廓曲面的内等距曲面，从而得到相应的均质渗碳层分层面，从外到里依次为第一均质渗碳层、第二均质渗碳层……第N(N＝三、四、五……)均质渗碳层；

(4)渗碳齿轮副有限元建模：根据步骤(3)生成的均质渗碳层分层面，利用有限元软件生成一个完整的渗碳轮齿实体，并对生成的渗碳轮齿实体建立映射网格模型，周向阵列得到整体齿轮有限元网格模型；再利用有限元软件的网格细化功能对参与啮合的轮齿进行网格加密，依此建立主、从动轮的有限元模型，并根据主、从动轮的运动关系实现齿轮副的无侧隙装配；

(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析：在步骤(4)完成渗碳齿轮副有限元建模后，根据步骤(1)获取的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷，利用有限元软件对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析，分别获取渗碳齿轮副在任意位置啮合时齿轮各部位的应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差值、齿面接触应力和齿根弯曲应力的最大值及其对应的部位、渗碳层的最大剪切应力，并根据获取的结果数据绘制出主从动轮不同渗碳层之间的最大应力差、最大齿面接触应力、最大齿根弯曲应力、渗碳层的最大剪切应力在齿轮啮合过程中的时间历程曲线；

(6)最劣受载位置齿轮副静接触分析：通过步骤(5)渗碳齿轮副瞬态啮合性能仿真分析获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，分析齿轮副在这五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性，根据齿轮传动原理分别旋转主从动轮齿轮副有限元模型，使齿轮副分别在这五个最劣受载啮合位置啮合，利用有限元软件的静接触分析功能定义接触、进行加载和约束、设置载荷加载方式和载荷步数，启动有限元软件完成求解计算，利用有限元软件的通用后处理功能，读取主从动轮在五个最劣受载啮合位置的极限应力及分布情况、各渗碳层之间的应力差、沿渗碳层的剪切应力分布，进而获取渗碳圆柱齿轮副的渗碳层应力梯度、齿面接触强度、齿根弯曲强度和渗碳层的剪切强度；

(7)渗碳齿轮副疲劳寿命计算：根据步骤(6)获得的五个最劣受载啮合位置的极限应力和步骤(1)中的材料参数，分别计算渗碳圆柱齿轮副的接触疲劳强度与寿命、弯曲疲劳强度与寿命和轮齿渗碳层剪切疲劳强度与寿命。

2.如权利要求1所述的渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，其特征在于，步骤(3)中，渗碳齿轮的渗碳厚度包括有效硬化层厚度和过渡层厚度，设齿轮渗碳厚度为t，有效硬化层厚度为t_a，过渡层厚度为t_b，将有效硬化层分为f层，过渡层分为h层，自外向里每层渗碳层厚度为t_i(i＝1,2…s)，各渗碳层厚度之间的关系为：

。

3.如权利要求1所述的渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法，其特征在于，步骤(4)中，利用有限元软件对生成的渗碳轮齿实体建立映射网格模型的具体过程如下：将渗碳齿轮的轮齿实体分割为四个实体部分，分别为轮毂实体部分、齿根实体部分、齿面实体部分和齿顶实体部分，其中轮毂实体部分为单一实体，齿顶实体部分由多层均质渗碳层组成，齿根实体部分、齿面实体部分均由多层均质渗碳层和非渗碳本体层组成，在有限元软件中分别定义渗碳齿轮四个实体部分的材料特性，同时定义相应的面单元类型和体单元类型，然后依次对轮齿的四个实体部分进行有限元网格划分，生成四个实体部分的网格模型后，将网格模型耦合成轮齿的整体网格模型，通过周向阵列复制，得到整体齿轮的有限元映射网格模型。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的渗碳圆柱齿轮参数化仿真分析方法的CAE系统，其特征在于，包括原始参数输入存储模块、参数化建立渗碳层模块、参数化齿轮副有限元建模模块、参数化瞬态啮合仿真分析模块、最劣受载位置参数化静接触分析模块和性能评价模块；所述原始参数输入存储模块的输出作为参数化建立渗碳层模块的输入，所述参数化建立渗碳层模块的输出作为参数化齿轮副有限元建模模块的输入，所述参数化齿轮副有限元建模模块的输出作为参数化瞬态啮合仿真分析模块的输入，所述参数化瞬态啮合仿真分析模块的输出作为最劣受载位置参数化静接触分析模块的输入，所述最劣受载位置参数化静接触分析模块的输出作为性能评价模块的输入。

5.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述原始参数输入存储模块，用于操作人员根据实际工况要求，输入渗碳圆柱齿轮的齿形参数、材料参数和工况参数，其中齿形参数包括主从动轮的齿数、模数、螺旋角、压力角、齿宽、变位系数、齿顶高系数、顶隙系数和渗碳深度；材料参数包括弹性模量、泊松比、密度、接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，渗碳表面的材料特性参数通过实验或查表获取；工况参数包括输入转矩、输入转速和载荷系数。

6.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述参数化建立渗碳层模块，根据原始参数输入存储模块中的原始参数对渗碳圆柱齿轮的渗碳层进行分层，得到均质渗碳层分层面。

7.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述参数化齿轮副有限元建模模块，根据参数化建立渗碳层模块生成的均质渗碳层分层面，通过后台调用APDL命令流生成完整的渗碳轮齿实体并建立主从动轮齿轮副的有限元模型。

8.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述参数化瞬态啮合仿真分析模块，根据建立的主从动轮齿轮副的有限元模型，使用原始参数输入存储模块中的工况参数，对齿轮副施加约束和载荷，调用编制好的APDL命令流对渗碳齿轮副进行瞬态啮合仿真分析。

9.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述最劣受载位置参数化静接触分析模块，根据参数化瞬态啮合仿真分析模块获取齿轮副齿面接触应力、主从动轮齿根弯曲应力和主从动轮渗碳层剪切应力所对应的五个最劣受载啮合位置，分别在这五个最劣受载啮合位置进行静接触分析，得到齿轮副在这五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性。

10.如权利要求4所述的CAE系统，其特征在于，所述性能评价模块，根据最劣受载位置参数化静接触分析模块对齿轮副五个最劣受载啮合位置啮合时的受载情况及应力特性的分析输出，对齿轮副进行性能评价。