基于热机耦合模型的球轴承接触特性数值仿真

论文摘要

滚动轴承具有摩擦力矩低、功率损耗小、维护方便、寿命长等特点,是应用极为广泛的重要机械基础件。随着工业技术的高速发展,对滚动轴承性能提出了愈来愈高的要求。而滚动轴承热流耦合、热机耦合以及动力分析方面的研究还处于起步阶段,是目前研究的热点。论文课题来源于国家自然科学基金项目。将流体力学、传热学、接触力学、结构动力学等理论相结合,针对高速滚动轴承系统,对轴承的多体静力接触、接触传热、动力接触等特性进行研究。本文的主要研究工作如下:①探讨了滚动球轴承接触分析模型不同网格划分形式对计算结果的影响;通过滚动球轴承多体静力接触有限元分析,得到了径向载荷作用下的位移场、应力场和应变场。②针对单个滚动体与滚道的接触模型,应用APDL编写了滚道曲率优化设计的命令流文件。在满足强度的前提下,采用一阶优化方法对滚动球轴承滚道曲率进行了优化设计,使其受载时的弹性变形有所减小。③建立了滚动球轴承内腔润滑油热流耦合有限元模型,分析得到了流体的温度场及速度场的分布云图。将得到的热边界条件,结合结构力学边界条件,建立了热机耦合模型,对滚动轴承进行了接触特性数值仿真,得到了滚动体与套圈间的接触应力、变形以及轴承温度场。与未考虑温度时分析结果比较,轴承自身摩擦发热对滚动球轴承的变形及接触应力有较大影响。④综合考虑轴承径向载荷及转速的影响,应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了滚动球轴承多体动力接触有限元模型;用显式动力学有限元法对内圈施加不同转速时的滚动球轴承进行动力接触分析,得出了滚动球轴承运转过程的动态响应及滚动体的应力分布。⑤应用Java及ANSYS/APDL语言开发了集参数化造型、网格划分、边界条件设置、图形显示于一体的滚动球轴承建模和分析程序。可以方便、快捷地建立参数化有限元模型,给合ANSYS有限元分析软件对滚动球轴承进行静力接触分析、热机耦合分析和动力接触分析,得到合理的计算结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 滚动轴承的弹性接触研究
• 1.2.2 滚动轴承的优化分析研究
• 1.2.3 滚动轴承腔润滑油流场研究
• 1.2.4 滚动轴承的温度场研究
• 1.2.5 滚动轴承动力接触的研究
• 1.2.6 滚动轴承的耦合分析软件
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 滚动球轴承多体接触有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 球轴承赫兹接触
• 2.2.1 弹性接触应力和变形
• 2.2.2 变形与载荷的关系
• 2.2.3 根据Stribeck 理论计算载荷分布
• 2.3 接触有限元分析方法
• 2.3.1 有限元方程及其解法
• 2.3.2 接触问题求解的参数选取
• 2.4 滚动球轴承有限元建模方法及算例分析
• 2.4.1 网格划分
• 2.4.2 有限元分析结果与赫兹理论解比较
• 2.5 滚动轴承实例弹性接触有限元分析
• 2.5.1 内圈受载分析
• 2.5.2 有限元模型的建立
• 2.5.3 实例结果及分析
• 2.6 本章小结
• 3 滚动球轴承滚道结构优化
• 3.1 引言
• 3.2 优化设计分析方法
• 3.2.1 优化设计理论
• 3.2.2 优化设计过程与步骤
• 3.2.3 参数化有限元分析技术
• 3.3 滚动轴承滚道曲率优化
• 3.3.1 滚道内曲率优化设计
• 3.3.2 滚道外曲率优化设计
• 3.3.3 滚道内外曲率联合优化
• 3.4 本章小结
• 4 滚动球轴承内腔热流耦合分析
• 4.1 引言
• 4.2 湍流的基本方程
• 4.3 有限元计算流体力学方法
• 4.3.1 FLOTRAN CFD 分析
• 4.3.2 FLOTRAN 分析步骤
• 4.4 滚动轴承热流耦合有限元仿真分析
• 4.4.1 球轴承热状态的计算
• 4.4.2 球轴承换热系数的计算
• 4.4.3 球轴承流场有限元模型的建立
• 4.4.4 算例结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 滚动球轴承热机耦合分析
• 5.1 引言
• 5.2 热分析及耦合场简介
• 5.2.1 热分析简介
• 5.2.2 耦合场分析简介
• 5.2.3 热机触耦合分析的矩阵方程表示
• 5.3 滚动轴承热机有限元仿真
• 5.3.1 有限元耦合模型的建立
• 5.3.2 算例结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 滚动球轴承运转过程动态特性有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 ANSYS/LS-DYNA 动力接触理论介绍
• 6.2.1 LS-DYNA 动力分析功能介绍
• 6.2.2 动力学基本方程
• 6.2.3 显式时间积分与时步控制
• 6.2.4 接触类型特性
• 6.2.5 对称罚函数法的动态接触算法
• 6.2.6 求解控制技术
• 6.3 球轴承动力接触有限元模型
• 6.3.1 单元类型选择及网格划分
• 6.3.2 材料模型选择
• 6.3.3 边界条件设置
• 6.4 球轴承动力接触仿真分析
• 6.4.1 节点振动响应
• 6.4.2 单元动态应力
• 6.4.3 轴承元件间的接触力
• 6.5 本章小结
• 7 滚动球轴承有限元分析程序开发
• 7.1 引言
• 7.2 ANSYS 二次开发语言APDL 简介
• 7.3 JAVA 程序开发语言介绍
• 7.4 应用程序开发
• 7.4.1 程序总体设计
• 7.4.2 滚动球轴承静力接触分析模块
• 7.4.3 滚动球轴承温度场分析模块
• 7.4.4 滚动球轴承动力接触分析模块
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录