基于有限元的滚动轴承动态仿真方法研究

论文摘要

轴承是重要的机械传动部件,随着机械工业的不断发展,对它的转速、寿命以及设计等方面提出了更高的要求。因此,为了满足新一代先进机械装备研制的需要,对轴承进行仿真分析显得十分必要。对轴承的力学仿真,其主要工作量是在轴承内部各零件间的接触部分。而接触属于高度非线性行为,即使采用数值模拟计算也是有很大的难度,一直是工程学和力学两门学科共同面临的难题。正是由于接触问题的普遍性和复杂性,也使得该问题的求解分析显得尤为重要。滚动轴承的力学理论经历了静力学,拟动力学,动力学的发展阶段。本文针对滚动轴承的几何结构特点,建立起其接触力学模型,对它的力学特性进行分析并得出一般性结论。研究滚动轴承的接触性能时,本文以Hertz接触理论为基础,采用了静力学和拟动力学的方法,研究了径向载荷作用下滚动轴承的承载和变形特性,推导了滚动轴承径向力公式,并进行了实例计算。然后分别建立了滚动轴承的二维和三维接触简化模型,进行单元选择、网格划分、接触参数、边界条件等方面的探索,以确定适合特定型号滚动轴承三维接触分析的有限元模型。滚动轴承的动力学接触包含了多体接触、滑动、摩擦、几何非线性、材料非线性、边界非线性的复合接触问题。因此本文在对滚动轴承有限元隐式求解分析的基础上,利用ANSYS/LS-DYNA模块对滚动轴承进行了显式动力学接触分析。同时将运动仿真过程与相关分析结果进行了比较,验证了仿真模型的可靠性。本文对滚动体和内外圈的应力、应变场的分布情况以及对滚动体上典型节点处的位移曲线进行了分析,并获得了滚动轴承在运转过程中比较直观、定量的分析数据。显式动力学仿真结果表明:滚动体与套圈接触区域的接触应力较大,且受载滚动体比非受载滚动体接触应力大,滚动轴承产生的振动是由于应力的变化等,从而检验和深化了滚动轴承力学理论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的意义及目的
• 1.2 滚动轴承国内外研究状况
• 1.2.1 滚动轴承力学模型发展概况
• 1.2.2 滚动轴承仿真技术研究概况
• 1.3 滚动轴承分析的难点和重点
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 滚动轴承的基本力学理论及计算
• 2.1 滚动轴承的结构特点
• 2.2 滚动轴承的接触理论
• 2.2.1 赫兹理论接触面几何关系分析
• 2.2.2 两物体接触应力与接触变形分析
• 2.3 滚动轴承接触应力与应变计算
• 2.4 滚动轴承接触面压力计算
• 2.5 实例分析
• 2.5.1 三维接触模型计算
• 2.5.2 滚动轴承接触计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 滚动轴承接触问题的有限元分析
• 3.1 接触问题的有限元法
• 3.1.1 有限单元方法简介
• 3.1.2 有限元法接触理论
• 3.2 基于ANSYS 的静力学接触分析方法
• 3.2.1 ANSYS 静力学分析过程
• 3.2.2 基于ANSYS 求解接触问题的方法
• 3.2.3 ANSYS 的接触算法
• 3.2.4 接触问题求解的有限元技术
• 3.3 接触问题的非线性有限元分析
• 3.3.1 二维模型的接触分析
• 3.3.2 三维模型的接触分析
• 3.3.3 二维及三维模型接触结果分析
• 3.4 深沟球轴承非线性有限元分析
• 3.4.1 单元选择及网格划分
• 3.4.2 接触对的创建
• 3.4.3 施加边界条件及载荷
• 3.4.5 非线性有限元求解结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 滚动轴承的显式动力学分析与模拟
• 4.1 滚动轴承运动学的分析方法
• 4.2 ANSYS/LS-DYNA 动力学分析程序
• 4.2.1 ANSYS/LS-DYNA 发展概况
• 4.2.2 接触碰撞的类型
• 4.2.3 接触碰撞的基本算法
• 4.2.4 接触碰撞算法的有限元实现
• 4.3 球体与平板碰撞实例分析
• 4.3.1 建立有限元模型
• 4.3.2 施加约束及载荷
• 4.3.3 后处理及结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于ANSYS/LS-DYNA 的滚动轴承有限元分析
• 5.1 滚动轴承的运动特点
• 5.1.1 深沟球轴承受力特性分析
• 5.1.2 影响滚动轴承载荷分布的因素
• 5.1.3 滚动轴承在动态中的接触分析
• 5.2 滚动轴承的动态三维有限元分析
• 5.2.1 实体模型的建立
• 5.2.2 基于显式动力学的滚动轴承有限元模型
• 5.2.3 建立接触模型
• 5.2.4 边界条件约束及施加载荷
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 通用后处理器（POST1）观察结果
• 5.3.2 时间历程后处理器（POST26）观察结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学位论文