工程塑料齿轮疲劳寿命有限元分析
ANSYS是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，是世界上第一个通过IS09001认可的有限元分析软件。因此，通过准确地建立模型、合理的网格划分与载荷施加以及边界条件设定，就能得到可靠性较好的计算结果。
对于工程塑料齿轮，由于其材料的力学性能、热性能等都与金属材料有很大区别，其失效形式及失效机理与金属齿轮也有很大区别。由于塑料齿轮的弹性模量较低，与钢齿轮啮合过程中其赫兹接触区较大，接触应力较小，一般不会出现点蚀等表面失效，所以轮齿在弯曲应力作用下疲劳断裂或折断是塑料齿轮的主要失效形式。因此主要对3种情况下的UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命进行分析。
4.1 UHMWPE材料齿轮无缺陷情况的疲劳寿命分析
在利用ANSYS进行齿轮的疲劳分析前，需要对2啮合齿轮进行接触分析。按照上文所分析的实际接触情况，确定2齿轮单齿啮合区域最高点位置，并定义接触类型为柔体对柔体的面对面接触。
取钢齿轮啮合面为目标面，用单元Targel69来定义，取UHMWPE材料齿轮啮合面为接触面，用单元Contal71来定。可以从菜单(Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Contact Pair)进入接触向导，来建立目标面接触面的“接触对”。也可以采用其他途径建立接触对，这属于ANSYS基本操作，本文不再详述。
接触对建立完成后进入静强度求解过程，主动齿轮为钢齿轮，传递力矩为6N·m，ANSYS计算所得UHMWPE材料齿轮齿根处的应力如图4所示。从应力云图中可以看出：最大应力发生在UHMWPE材料齿轮齿根处，节点号为：2279，应力值为：32.1MPa。
图4 UHMWPE材料齿轮齿根处应力云图工程塑料齿轮ANSYS疲劳分析的步骤为：首先进入后处理POST1，恢复数据库，然后提取齿根最大弯曲应力处的节点应力并将其储存，并确定重复次数，最后采用Miner疲劳积累理论计算疲劳寿命并查看结果。
UHMWPE材料齿轮疲劳寿命预测需要的较关键疲劳性质是材料的S-N曲线，所研究的UHMWPE材料的S-N曲线如图5所示。
图5 UHMWPE材料S-N曲线疲劳分析结果如图6所示。可见在文中所设定工作载荷下，该UHMWPE材料齿轮轮齿的疲劳寿命为132800次，累计疲劳系数为0.75301。
图6 无缺陷UHMwPE材料齿轮疲劳计算结果4.2 齿问存在熔接痕时UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命分析
UHMWPE材料齿轮注塑工艺复杂。工艺控制不当很容易产生熔接痕等注塑缺陷。因此，对存在熔接痕缺陷的UHMWPE材料齿轮进行分析，可以确定该缺陷的不同位置对齿轮疲劳破坏的影响程度。这对工程塑料齿轮的注塑工艺，浇口位置安排等都有一定的指导意义。
在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齿轮时，将熔接痕等效为I型裂纹问题，并采用KSCON命(Main Menu>Preprocessor> MeshShapeSize> Concentrat KPs-Create)，使ANSYS自动围绕熔接痕尖端关键点生成奇异单元，然后进行分析求解。假设在两轮齿间存在一条长为1.5mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图7所示。
图7 齿间熔接痕尺寸疲劳分析结果显示：在齿间存在较小熔接痕缺陷情况下，UHMWPE材料齿轮轮齿的疲劳寿命为124600次，累计疲劳系数为0.80257。疲劳产生的位置仍未齿根处。可见，齿间存在较小熔接痕缺陷情况下，缺陷对UHMWPE齿轮疲劳寿命无较大影响。
4.3 齿根存在熔接痕时UHMWPE材料齿轮的疲劳寿命分析
假设在齿根处存在一条长为1.5 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如图9所示。
图9 齿根熔接痕尺寸疲劳分析结果为:疲劳破坏发生在熔接痕尖端，如图10所示。齿轮轮齿的疲劳寿命仅为5631次。可见，在齿根存在较小熔接痕缺陷情况下齿轮很快进人疲劳并断裂破坏。
图l0 疲劳破坏发生位置5 结论与展望
1)采用ANSYS有限元技术可以计算复杂边界条件下的疲劳问题，对工程塑料齿轮的疲劳寿命的确定有一定价值。
2)通过ANSYS分析得出:所研究的UHMWPE材料齿轮在无缺陷情况下的疲劳寿命远高于齿根存在熔接痕情况下的寿命。
3)当熔接痕靠近UHMWPE材料齿轮齿根处时，加载后轮齿很快进人疲劳并断裂，因此需要对注塑工艺进行优化，避免在齿轮齿根处出现熔接痕。
4)很多性能优异的工程塑料均可用作为中等载荷的齿轮材料，例如POM，PA66等，利用有限元方法校核其疲劳寿命会加快设计速度，同时也提高了可靠性。(end)
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