齿轮油泵齿轮轴的有限元分析(附件)【字数：8305】
摘 要 使用solidworks完成对齿轮油泵齿轮轴的三维建模，对齿轮轴进行受力分析，然后利用Hypermesh根据正常工作条件下齿轮轴的相关参数创建材料属性，划分网格，施加约束和载荷，最后得出应力云图和形变云图。将得到的应力云图和形变云图与已知的模型参数相比较分析。分析结果表明齿轮轴最容易发生破坏的部位是键槽一端和轴齿轮，针对上述结果结合文献资料，优化设计齿轮轴，将优化后齿轮轴得到的应变云图和原模型的云图相比较分两者差异，分析优化结果。 将轴的单键槽该为对称的双键槽后，最大应力由596.6MPa下降至264.6MPa，下降了55.7%，而且264.6MPa小于355.0MPa，最大应力小于齿轮轴的疲劳强度，所以将单键槽改为双键槽的优化方法是能满足齿轮轴的强度要求。在齿轮端面增加台阶，最大应力为529.0MPa，较原模型下降了11.3%，但529.0MPa大于355.0MPa，即最大应力大于齿轮的疲劳强度，所以在齿轮一端面增加台阶的优化方法无法满足齿轮轴的强度要求。
目 录
第一章 绪 论 5
1.1 国内外研究现状 5
1.2 研究课题的意义 6
1.3 课题的主要内容 6
第二章 有限元法的介绍 7
第三章 模型处理与有限元文件的建立 8
3.1 HyperMesh软件介绍? 8
3.2 齿轮油泵齿轮轴模型建立 9
3.2.1 轴齿轮的模型建立 9
3.2.2 齿轮轴其余部分模型建立 10
3.3 材料属性及约束载荷 11
3.3.1 确定齿轮轴的相关参数 11
3.3.2 载荷和约束 11
3.4 齿轮轴的静力分析 12
3.5 齿轮轴的有限元分析 12
3.5.1 模型的导入 12
3.5.2 划分网格 13
3.5.3 创建约束和载荷 14
3.6 得出计算结果 15
第四章 分析计算结果并优化齿轮 17
4.1 分析计算结果 17
4.2 优化齿轮轴 17
4.3 齿轮轴的优化方向 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
8
4.3.1 将单键槽改为双键槽 18
4.3.2 齿轮端面突出一个台阶 19
4.4 优化结论 19
第五章 总 结 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1 国内外研究现状
有限元法的思想是R.Courant在1943年提出的，但因为没有大型的求解方程式的计算工具，这种方法当时没有得到实际应用。到了20世纪60年代，随着计算机的实用化，有限元法开始迅速发展[1]有限元法在50多年里，应用领域从最初的航空宇宙拓展到了汽车、船舶、原子能武器电子等多种行业，也从弹力材料塑延伸到了塑粘稠形弹力复合材料等方面。有限元方法的数值模拟成为了现代工程设计的必要条件。
有限元分析方法是随着有限元理论研究的逐步深入和计算机技术的飞速发展，得到了广泛的工程应用。随着技术与计算机软硬件技术的发展，国际上已陆续推出大批软件产品，不论结构多么复杂，不论材料性质和外加载荷如何多变，使用有限元法均可方便地进行分析和获得满意的答案。例如为了分析具有长方形Cu柱接合引线互连的倒桩芯片封装的机械行为.使用在12×12mm 2封装体中具有6×6mm 2管芯尺寸的测试载体。 模具厚度为150μm.总厚度为170μm的双层积层基板（芯厚度为100μm)。设计了具有相应开口为65×30μm和1.9μm厚钝化层（具有USG的SiN）的5μm厚的聚酰亚胺.其具有75×50μm的相应开口。 UBM尺寸为95×50μm.管芯侧的金属焊盘约为99×75μm。 LF焊料附着到宽度为25μm和高度为17μm的窄的Cu迹线.而在模具的外围I / O区域中没有任何阻焊剂限制。 凸块结构组成为Cu / Ni / SnAg材料.厚度为30/3 /25μm。 用于具有Cu柱BOL互连的28nm ELK 倒桩芯片封装的有限元模型和应用边界条件示于图3中。[11] 2（由于对称性.仅呈现四分之一模型）。
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图11 有限元模型和应用边界条件
1.2 研究课题的意义
应用Hypermesh软件进行强度和模态的分析，可以更加直接的观察到零件在工作载荷和约束条件下的整体应力分布情况，最大的应力所在的区域，方便了在强度判断和优化，尽量的解决了因为设计不合理所造成的安全隐患。而且在了解了零件的整体应力分布情况可以，在强度足够的前提下，减少材料的使用量即以重量最小进行优化设计，进行最优化设计。因此学习有限元分析方法可以提高设计设备的合理性和设计的水平。
在工业生产和现实生活中，齿轮轴的应用均十分广泛[8]。例如在高档商用汽车的转向系统中使用到的扇形齿轮轴是转向系统中的重要零部件而且属于汽车的核心安全零部件；齿轮轴是减速机的重要组成部分[2]，齿轮轴将马达进过减速后的转速和较大的转矩输出，齿轮轴的合理设计影响了减速机的正常工作[34]。
1.3 课题的主要内容
(1) 使用solidworks绘制零件实体，注意零件的细节；
(2) 将实体零件导入Hypermash软件中；
(3) 输入零件材料属性及应力约束的设定；
表11 零件的材料属性
零件名称
材料
密度（）
弹性模量（MPa）
泊松比
屈服强度（MPa）
齿轮油泵齿轮轴
45钢
7.89×109
2.1×105
0.27
355
（4）选择合适大小的网格，划分网格 。完成网格划分之后对零件施加约束，位置：齿轮轴齿轮的一端端面；自由度：约束X、Y、Z方向移动及X、Y、Z向转动。在零件上施加载荷，载荷的位置：位于键槽一侧，垂直于键槽的受力矩形面；大小：面载荷，大小为6.6MPa。然后计算零件的形变量，应力，疲劳强度，模态，分析零件设计是否合理，若不合理则进行优化（减少应力和变形）。
目 录
第一章 绪 论 5
1.1 国内外研究现状 5
1.2 研究课题的意义 6
1.3 课题的主要内容 6
第二章 有限元法的介绍 7
第三章 模型处理与有限元文件的建立 8
3.1 HyperMesh软件介绍? 8
3.2 齿轮油泵齿轮轴模型建立 9
3.2.1 轴齿轮的模型建立 9
3.2.2 齿轮轴其余部分模型建立 10
3.3 材料属性及约束载荷 11
3.3.1 确定齿轮轴的相关参数 11
3.3.2 载荷和约束 11
3.4 齿轮轴的静力分析 12
3.5 齿轮轴的有限元分析 12
3.5.1 模型的导入 12
3.5.2 划分网格 13
3.5.3 创建约束和载荷 14
3.6 得出计算结果 15
第四章 分析计算结果并优化齿轮 17
4.1 分析计算结果 17
4.2 优化齿轮轴 17
4.3 齿轮轴的优化方向 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
8
4.3.1 将单键槽改为双键槽 18
4.3.2 齿轮端面突出一个台阶 19
4.4 优化结论 19
第五章 总 结 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪 论
1.1 国内外研究现状
有限元法的思想是R.Courant在1943年提出的，但因为没有大型的求解方程式的计算工具，这种方法当时没有得到实际应用。到了20世纪60年代，随着计算机的实用化，有限元法开始迅速发展[1]有限元法在50多年里，应用领域从最初的航空宇宙拓展到了汽车、船舶、原子能武器电子等多种行业，也从弹力材料塑延伸到了塑粘稠形弹力复合材料等方面。有限元方法的数值模拟成为了现代工程设计的必要条件。
有限元分析方法是随着有限元理论研究的逐步深入和计算机技术的飞速发展，得到了广泛的工程应用。随着技术与计算机软硬件技术的发展，国际上已陆续推出大批软件产品，不论结构多么复杂，不论材料性质和外加载荷如何多变，使用有限元法均可方便地进行分析和获得满意的答案。例如为了分析具有长方形Cu柱接合引线互连的倒桩芯片封装的机械行为.使用在12×12mm 2封装体中具有6×6mm 2管芯尺寸的测试载体。 模具厚度为150μm.总厚度为170μm的双层积层基板（芯厚度为100μm)。设计了具有相应开口为65×30μm和1.9μm厚钝化层（具有USG的SiN）的5μm厚的聚酰亚胺.其具有75×50μm的相应开口。 UBM尺寸为95×50μm.管芯侧的金属焊盘约为99×75μm。 LF焊料附着到宽度为25μm和高度为17μm的窄的Cu迹线.而在模具的外围I / O区域中没有任何阻焊剂限制。 凸块结构组成为Cu / Ni / SnAg材料.厚度为30/3 /25μm。 用于具有Cu柱BOL互连的28nm ELK 倒桩芯片封装的有限元模型和应用边界条件示于图3中。[11] 2（由于对称性.仅呈现四分之一模型）。
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图11 有限元模型和应用边界条件
1.2 研究课题的意义
应用Hypermesh软件进行强度和模态的分析，可以更加直接的观察到零件在工作载荷和约束条件下的整体应力分布情况，最大的应力所在的区域，方便了在强度判断和优化，尽量的解决了因为设计不合理所造成的安全隐患。而且在了解了零件的整体应力分布情况可以，在强度足够的前提下，减少材料的使用量即以重量最小进行优化设计，进行最优化设计。因此学习有限元分析方法可以提高设计设备的合理性和设计的水平。
在工业生产和现实生活中，齿轮轴的应用均十分广泛[8]。例如在高档商用汽车的转向系统中使用到的扇形齿轮轴是转向系统中的重要零部件而且属于汽车的核心安全零部件；齿轮轴是减速机的重要组成部分[2]，齿轮轴将马达进过减速后的转速和较大的转矩输出，齿轮轴的合理设计影响了减速机的正常工作[34]。
1.3 课题的主要内容
(1) 使用solidworks绘制零件实体，注意零件的细节；
(2) 将实体零件导入Hypermash软件中；
(3) 输入零件材料属性及应力约束的设定；
表11 零件的材料属性
零件名称
材料
密度（）
弹性模量（MPa）
泊松比
屈服强度（MPa）
齿轮油泵齿轮轴
45钢
7.89×109
2.1×105
0.27
355
（4）选择合适大小的网格，划分网格 。完成网格划分之后对零件施加约束，位置：齿轮轴齿轮的一端端面；自由度：约束X、Y、Z方向移动及X、Y、Z向转动。在零件上施加载荷，载荷的位置：位于键槽一侧，垂直于键槽的受力矩形面；大小：面载荷，大小为6.6MPa。然后计算零件的形变量，应力，疲劳强度，模态，分析零件设计是否合理，若不合理则进行优化（减少应力和变形）。
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