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专利号: 2020109579195
申请人: 四川轻化工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)根据待研究的齿轮、齿条的几何信息生成粒子模型,并根据粒子模型几何尺寸,将齿轮和齿条离散为有限个粒子,并定义将齿轮粒子定义为Ⅰ类型粒子、齿条粒子定义为Ⅱ类型粒子,并根据齿轮、齿条的物理力学参数对其不同位置的粒子分别赋值;

(2)预先确定计算齿轮齿条动态啮合及传动过程力学分析过程中需要采用的数值处理技术,并设置时间步长及时间步数;(3)对Ⅰ类型粒子进行Ⅰ-Ⅰ类型、Ⅰ-Ⅱ类型相邻粒子对的搜索;对Ⅱ类型粒子进行Ⅱ-Ⅱ类型相邻粒子对的搜索;

(4)对Ⅰ、Ⅱ类型粒子分别进行密度求解;

(5)对齿轮、齿条进行应力应变的求解;

(6)根据应力应变求解结果得到由内力引起的第一速度变化率;

(7)进行人工粘度以及在外力作用下引起的第二速度变化率的求解;

(8)根据第一速度变化率及第二速度变化率之和更新质点信息;

(9)判定时间步是否达到预设的时间步,如果未达到则重复步骤三到步骤八,如果达到则计算终止。

2.根据权利要求1所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于: 所述数值处理技术包括密度计算方法、光滑核函数、粒子搜索方法、接触边界计算方法、固壁边界计算方法、时间积分方法。

3.根据权利要求2所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于:所确定的光滑核函数的计算公式为:其中 为光滑核函数,R为粒子间距与光滑半径的比值, 在二维空间的计算公式为: , 为光滑半径。

4.如权利要求1或3所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,步骤三进行相邻粒子对搜索时,具体包括3种情况:一是对Ⅰ类型粒子进行粒子对搜索,找到每个Ⅰ类型粒子的Ⅰ-Ⅰ类型相邻粒子对;二是对Ⅱ类型粒子进行粒子对搜索,找到每个Ⅱ类型粒子的Ⅱ-Ⅱ类型相邻粒子对;三是对相互接触的齿轮齿条粒子对进行搜索,找到与Ⅰ类型粒子啮合接触的Ⅰ-Ⅱ类型相邻粒子对。

5.如权利要求4所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,在寻找Ⅰ-Ⅱ类型相邻粒子对时,采用影响半径作为判断粒子对的标准。

6.如权利要求1所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于:步骤五中,所述齿轮齿条采用理想弹性本构模型进行应力应变的求解,应变张量计算公式为:应力计算公式为:

其中, 分别表示笛卡尔坐标系下的坐标分量, 表示速度,  表示在不同坐标方向上的速度分量, 代表不同的坐标方向;

应力计算公式左边为内力的应力张量随时间的变化率, 代表时间, 、 、为应力张量分量, 表示剪切模量, 为体积模量, 为狄克拉函数, 为偏剪切应变率张量, 为三向正应变之和, , 分别为 , 平面上的自旋速率张量,其计算公式为: 。

7.如权利要求5所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,进行第二速度变化率求解时,对相互啮合接触的齿轮齿条粒子分为三种情况进行判断:第一种情况:当在某时间步某一接触啮合粒子对之间间距小于2倍光滑长度,且间距小于上一时间步该粒子对间距时,判断该粒子对为啮合粒子,此时齿轮齿条粒子间作用力视为内力,计算相互作用;

第二种情况:当在某时间步某一接触粒子对之间间距小于2倍光滑长度,且间距大于上一时间步该粒子对间距时,判断该粒子对从啮合状态到脱离啮合过渡,粒子对为临界啮合状态,粒子对为临界啮合状态,此时齿轮齿条间作用视为外力计算相互作用;

第三种情况:当在某时间步某一接触粒子对之间间距大于2倍光滑长度,判断该粒子对为非啮合粒子,粒子对为脱离啮合状态,两类粒子之间无相互作用。

8.如权利要求6所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,步骤六中,据动量守恒方程在SPH下的离散形式计算第一速度变化率,计算公式为:代表粒子j的质量;  为狄克拉函数, 代表核函数,  , 分别代表 ,方向的速度分量对时间的导数,  分别代表 粒子的应力张量,  分别表示核函数对 方向和 方向的偏导数;

其中, 代表密度, 为人工粘度,其表达式为:

其中, 和 为常数, 用于减小粒子靠近时产生的数值发散, 为平均光滑长度,为平均密度, 为平均数值声速,其取值分别为:其中, 分别代表粒子 的密度, 分别代表粒子 的坐标, 代表粒子间距,vi、vj分别代表i、j粒子速度, 代表i、j粒子速度差, 分别代表粒子 的光滑长度, , 代表不同粒子的数值声速。

9.如权利要求7所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,步骤七中,第二速度变化率包括固壁外力及齿轮齿条相互作用力,计算公式为:其中, 为 和 方向上的固壁边界力, , 代表 、 方向

上的计算得到的第二速度变化率, 、 为齿轮齿条 和 方向上相互作用外力。

10.如权利要求1所述的一种基于SPH的齿轮齿条动态啮合及传动过程分析方法,其特征在于,步骤八中,所更新的质点信息包括速度信息、位置信息。