基于ANSYS Workbench的齿轮传动刚体动力学分析
齿轮传动是机械传动中最常用的一种传动形式，广泛应用于各种机械、冶金、矿业、汽车、航空航天及船舶等领域。齿轮传动是依次通过主动齿轮和从动齿轮啮合，传递两轴间的运动和动力。它以效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长和传动比稳定等优点，成为机械传动中最主要的一类传动。在齿轮啮合传动过程中，力是通过一对齿轮齿面之间的相互接触传递的。
本例将选取基本的渐开线直齿圆柱齿轮类型，使用ANSYS Workbench的Rigid Dynamics刚体动力学分析方法，分析齿轮转动过程中的位移、力等随时间的变化情况。
图1 齿轮传动实例
仿真过程说明
建立刚体动力学分析系统，如下图所示。使用默认材料钢材，弹性模量为2×1011Pa，泊松比0.3。
图2 建立分析系统
导入齿轮几何模型文件，如下图所示。
图3 几何模型
选择两个齿轮实体，在细节面板中选择Stiffness Behavior，在右边的选择框中选中Rigid，如下图所示。
图4 Mechanical设置
因为齿轮旋转过程中齿轮轮齿之间通过接触传递力，所以需建立全部轮齿间的接触关系。为方便建立接触对，首先将两个齿轮的轮齿面建立面组，如下图所示。
图5 创建Selection1
图6 创建Selection2
在Connections中生成了1个接触对。选中该接触对，在细节中，更改接触对的接触面与目标面为上面建立的两个面组，如下图所示。
图7 接触设置
在Connections中建立旋转运动副，选择小齿轮的内圆面为移动面，，建立小齿轮与地面之间的旋转运动副，如下图所示。
图8 建立小齿轮与地面间的旋转运动副
按上面方法建立大齿轮与地面之间的旋转运动副，如下图所示。
图9 建立大齿轮与地面间的旋转运动副
使用Face Meshing将两个齿轮的接触面进行面网格的划分设置，生成网格，如下图所示。
图10 网格结果
选择Analysis Settings，Initial Time Step设置为1e-4 s，Minimum Time Step设置为1e-7 s，Maximum Time Step设置为1e-2 s，设置完成结果如下图。
图11 求解设置
施加转矩载荷：从动轮 大齿轮转动副施加转矩载荷Joint Load，Magnitude中选择Function，输入公式1000*sin(360*10*time)。施加正弦转矩载荷。施加完成后，可以提交计算。
图12 施加转矩载荷
计算完成后，通过后处理可以查看位移、角加速度、角速度、相对转角、接触力等结果，从而分析运动过程中各个运动参数的变化。
总结
基于ANSYS Workbench下的Rigid Dynamics模块对齿轮传动过程进行刚体动力学仿真非常方便快捷，包括接触连接的设置、转动副的设置等。
ANSYS Rigid Dynamics集成于ANSYS Workbench环境下，基于全新的模型处理方法和求解算法，专用于模拟由运动副、弹簧连接起来的刚性组件的动力学响应，亦可以与瞬态动力学分析功能直接耦合进行线性和非线性结构的刚柔混合和动力学分析。在求解算法上，Rigid Dynamics采用了无需迭代计算和收敛检查的显式积分技术，并提供了自动时间步功能，快速求解复杂系统的动力学特性，输出位移、速度、加速度和反作用力等历程曲线。
