背景
齿轮和螺栓是工程实际中运用比较广泛的标准零件，用于部件系统之间的连接，在系统实际运作中起到传递载荷的作用，是主要的承载零件，易出现结构强度破坏和疲劳耐久问题，因此产品研发过程中，工程师会在前期阶段利用有限元仿真软件重点分析这些连接件的力学性能，评估是否满足实际工程需求。工程师在创建齿轮和螺栓的有限元模型时过程较为复杂，一般需要先创建CAD模型，然后导入到CAE前处理软件中进行网格划分，并且创建的网格质量较差，影响后续的分析效率和精度。LiToSim开发的标准零件库功能，方便工程师快速地建立标准件的六面体网格模型。目前LiToSim零件库包含了创建渐开线圆柱齿轮（直齿轮、斜齿轮）、螺栓和螺母有限元网格的功能，通过LiToSim主菜单中的网格功能选项，在下拉菜单中选择相应的标准件类型，就能参数化地建立齿轮或螺栓的网格模型。图中所示实例为两个圆柱齿轮相互啮合的情况，其中齿数较少的为主动轮，齿数较多的为从动轮，实例通过对主动轮施加扭矩来模拟齿轮之间的啮合情况。
齿轮传动模型图
通过LiToSim可以实现从模型创建--参数设置--求解计算--后处理分析整套流程，具体步骤如下：
创建齿轮网格。首先启动LiToSim，点击菜单栏“文件”→“新项目”，弹出新工程项目对话框。在弹出的对话框中选择分析类型：“固体力学”→“静态”，点击“OK”，并命名新工程即可完成新工程创建。在菜单栏“网格”模块处单击鼠标右键，选择“Create Mesh”→“Gear Mesh”，输入齿轮参数创建齿轮网格，如下图所示。
创建齿轮网格
模型装配。点击菜单栏“网格”→“编辑区域位置”，在弹出的对话框中选中想要移动的网格模型，输入想要移动或者旋转的数值点击“OK”，如下图所示。
模型装配
设置单元类型。单击鼠标右键，选择“拾取区域”→“区域整体”，在弹出的对话框中指定“选择模式”→“方框”，在模型窗口中框选全部单元。然后，在左侧模型树“单元”处单击鼠标右键，选择“单元类型”，在弹出的单元类型编辑对话框中，选择单元类型，如下图所示，点击“OK”。
设置单元类型相关参数
设置材料参数。左侧模型树“材料”模块处单击鼠标右键，选择“指定材料”，在弹出的材料库对话框中编辑材料参数，如下图所示，点击“设置”，然后点击“OK”。
设置材料参数
设置模型边界条件。如下图所示，在模型窗口中单击右键选择“拾取网格”→“网格面”选择需要施加约束的单元面，在左侧模型树“边界”模块处单击鼠标右键，选择“位移”，在弹出的对话框中设置边界条件，点击“OK”。
边界条件设置
两个齿轮的具体 位移约束：从动轮（Ux=Uy=Uz=Rx=Ry=Rz=0），主动轮（Ux=Uy=Uz=Rx=Ry=0）
设置参考点。点击菜单栏“网格”→“创建参考点”，如下图所示。
参考点设置
设置刚体。同步骤五，选择齿轮单元面，在左侧模型树“边界”模块处单击鼠标右键，选择“刚性体”, 在弹出的对话框中“Ref Point”一栏选择步骤六中创建的参考点，并在“Mz”一栏中施加120000大小的扭矩。
刚体设置
设置接触。用步骤五方法选中齿轮接触面，然后点击菜单栏“网格”→“保存拾取数据”，右键单击模型树“边界”→“接触”选项，在弹出的对话框中“接触方法”一栏，选择“增广拉格朗日法”，“侦测算法”一栏，选择“主从面”，在接触区定义中选择相应的主从面，然后点击“OK”。
设置求解控制参数。在“求解”模块单击鼠标右键，进行“静态求解参数设定”，设置相关参数如下图所示。设置好后，在左侧模型树“Setup1”处单击鼠标右键选择“求解”，提交求解器进行计算。
求解参数设置
查看求解结果。鼠标右键点击“结果”→“创建云图”，弹出对话框，如下图所示，然后确定，即可查看云图。螺纹紧固件的独特力学性能是由螺纹副螺旋形几何形状引起的，在有限元模拟中，常常采用Coupling技术模拟螺纹连接，达到简化模型的目的。对于简化模型，因为模型忽略了螺纹升角，故不能真实地模拟螺纹连接结构实际力学性能。为此LiToSim开发了螺栓螺母参数化建模模块。
通过算例1的方法建立模型，在螺栓螺纹面上施加压力得到如下结果。
结果云图
下图为对螺栓进行高周、低周疲劳分析结果云图。
螺栓高周、低周疲劳寿命云图
同螺栓，在螺母螺纹上施加压力得到应力云图如下所示：
结果云图
下图为对螺母进行高周、低周疲劳分析结果云图。
目前LiToSim可以实现渐开线圆柱齿轮、螺栓、螺母等机械零件网格的参数化建模，团队会继续开发标准零件库，满足更多工程实际需求。
