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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 3.1 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ABAQUS 有限元分 析软件对齿轮齿条接触过程进行有限元分析，主要分析轮齿间的接触 应力。ABAQUS 的非线性力学（几何、材料、接触）分析功能有世 界领先水平，应用此软件使得该类接触问题的简便求解成为可能。 3.2 模型简化 图2 齿轮齿条运动结构模型简化图 为了提高计算效率，将缝翼结构中齿轮齿条运动结构模型进行简 化，如图2 所示。由 于进行有限元分析的主要目的是为了确定齿轮齿条的接触应力， 所以对模型进行如下的简化对分析结果不会造成大的影响： 将齿轮轴简化，在齿轮中心部分作一个键槽，在ABAQUS 中建 立一个齿轮轴的刚体模型，用来施加转矩，带动齿轮的转动，为了不 影响网格的划分，将齿条上的孔及其凹槽简化掉。建立一个与齿条接 触的刚体板，用来阻碍齿条的转动，可以模拟滑轨对齿条的阻力。与 变形部件相比，刚体部件有很高的计算效率。 3.3