自升式平台齿轮齿条升降机构强度分析

论文摘要

在海洋石油勘探开发中,自升式海洋平台是使用数量最多的平台。自升式平台主要采用齿轮齿条升降系统,目前的升降系统均需要进口。自升式平台齿轮齿条强度是我国自主研发自升式平台升降系统的关键技术之一。本文的研究内容主要有以下几个方面:1、齿轮齿条的啮合是一个动态过程。本文首先采用ANSYS软件建立了齿轮齿条的二维数值模型,基于该模型研究其在预压升降过程中齿面和齿根的应力变化;2、根据齿轮齿条啮合的二维动态分析结果,确定齿轮齿条在啮合过程中的危险位置,进一步建立齿轮齿条的局部三维数值模型,对齿面和齿根做进一步精细分析。通过分析齿轮齿条在不同啮合位置时的Von mises应力和齿面接触应力的分布情况,并将其与公式计算结果相比较,认为基于有限元方法的数值结果可以作为该齿轮齿条强度分析的依据;3、应用齿轮齿条三维精细分析结果,对齿根过渡圆角和齿条齿宽进行了优化。研究结果表明,适当增大齿条齿宽可以减小齿轮齿条的接触应力,增大齿轮齿条的齿根圆角半径可以提高齿轮齿条的齿根弯曲强度;4、考虑到齿轮齿条啮合接触的超高应力,部分区域已进入塑性,因此本文建立了含硬化层的齿轮齿条三维弹塑性数值模型。对于硬化处理失败和硬化层被磨损掉的齿轮,则按无硬化层的弹塑性数值模型处理。本文对上述2种模型均采用ANSYS系统进行了系统分析,研究了其塑性变形和塑性区域范围,并与弹性接触结果相对比,为齿轮齿条的结构设计提供了基础力学数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出的背景及意义
• 1.1.1 问题背景
• 1.1.2 课题的工程意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 齿轮强度的研究进展
• 1.2.2 自升式平台齿轮齿条升降机构的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 接触问题的理论基础及有限元实现
• 2.1 接触问题的理论基础
• 2.1.1 接触问题的分类
• 2.1.2 弹性接触问题的基本方程
• 2.1.3 经典的赫兹公式
• 2.2 赫兹公式在轮齿接触中的应用
• 2.3 有限元及其相关软件的发展
• 2.4 接触问题的有限元实现
• 2.4.1 ANSYS 中接触问题的分类和接触方式
• 2.4.2 ANSYS 中的接触算法
• 2.4.3 ANSYS 接触分析的步骤
• 2.5 小结
• 第三章 齿轮齿条强度弹性有限元分析
• 3.1 齿轮齿条强度的数值计算模型
• 3.1.1 渐开线的生成原理
• 3.1.2 齿轮齿条模型的建立
• 3.2 齿轮齿条动态接触分析
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 接触对的设置
• 3.2.3 载荷和约束的施加
• 3.2.4 求解设置
• 3.2.5 轮齿动态啮合接触分析结果
• 3.3 齿轮齿条静态接触分析
• 3.3.1 齿轮齿条计算模型
• 3.3.2 接触对的设置
• 3.3.3 约束和载荷的施加
• 3.3.4 静态接触分析的接触位置
• 3.3.5 求解设置
• 3.3.6 结果分析
• 3.3.7 动、静态啮合结果对比
• 3.4 有限元计算和公式计算对比
• 3.4.1 齿根弯曲应力的计算
• 3.4.2 齿面接触应力计算
• 3.4.3 两种算法计算结果的对比
• 3.5 小结
• 第四章 齿轮齿条参数优化
• 4.1 提高齿轮齿条强度的方法
• 4.1.1 提高齿轮齿条接触强度的方法
• 4.1.2 提高齿轮齿条弯曲强度的方法
• 4.2 齿轮齿条参数的优化
• 4.2.1 齿条齿宽对齿轮齿条强度的影响
• 4.2.2 齿根圆角半径对齿轮齿条强度的影响
• 4.3 小结
• 第五章 齿轮齿条强度弹塑性分析
• 5.1 塑性状态下的本构关系
• 5.1.1 塑性增量理论
• 5.1.2 塑性全量理论
• 5.1.3 ANSYS 中常用的塑性本构模型
• 5.2 齿轮齿条塑性分析模型
• 5.2.1 无硬化层的数值模型
• 5.2.2 含硬化层的数值模型
• 5.3 无硬化层齿轮齿条弹塑性分析
• 5.3.1 材料本构模型
• 5.3.2 计算结果
• 5.4 含硬化层齿轮齿条弹塑性分析
• 5.4.1 材料本构模型
• 5.4.2 计算结果
• 5.5 两种模型计算结果的比较
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢