一種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軸承剛度的仿真分析領(lǐng)域，具體地說是一種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)合部是指在機(jī)械結(jié)構(gòu)中零部件相互接觸，載荷相互傳遞的區(qū)域，它可以分成固定結(jié)合部和可動結(jié)合部。其中固定結(jié)合部包括螺栓連接、焊接和鉚接結(jié)合部;而可動結(jié)合部包括軸承、絲杠、導(dǎo)軌滑塊、齒輪和銷釘連接結(jié)合部等。研究表明:重型機(jī)械設(shè)備的整機(jī)剛度有幾乎30%?50%受制于結(jié)合部的剛度，并且在所有設(shè)備作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動問題，幾乎有一半來自于結(jié)合部的剛度不匹配。因此，對結(jié)合部的剛度開展研究，對于重載設(shè)備的研發(fā)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
[0003]早在上個世紀(jì)中期，前蘇聯(lián)的研究人員對影響機(jī)床加工精度的結(jié)合部振動問題進(jìn)行了研究。到了上世紀(jì)的70至80年代，英國的相關(guān)研究人員基于赫茲接觸理論就軸承這種常見的結(jié)合部開展了理論推導(dǎo)研究，并設(shè)計了小型的試驗臺通過回歸分析驗證了經(jīng)驗計算公式的正確性。但是由于當(dāng)時計算機(jī)水平的落后，使得軸承動剛度的求解需要耗費(fèi)大量的時間。到了20世紀(jì)后期，人們越來越意識到了結(jié)合部的動態(tài)性能對重載設(shè)備加工精度的影響，人們開展了大量的實(shí)驗測試工作，包括軸承的剛度、阻尼、模態(tài)頻率和壽命等，積累了大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)。到了 21世紀(jì)，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員開始采用基于赫茲接觸理論精確的迭代算法和考慮多方面的幾何因素來開展結(jié)合部剛度的精確計算研究，并且有限元技術(shù)也引入到結(jié)合部的建模和仿真過程中，使得采用有限元方法分析結(jié)合部的剛度問題成為近年來的熱點(diǎn)研究問題。
[0004]角接觸球軸承動剛度傳統(tǒng)的計算方法是采用經(jīng)驗公式法或是數(shù)值積分法，這兩種方法在計算精度上均存在一定的誤差，前者由于很多參數(shù)依靠于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此誤差較大；而后者盡管盡可能地考慮了軸承全部的參數(shù)來提高計算精度，但是滾珠和滾道之間的碰撞、間隙和非線性特征沒有涵蓋，因此上述兩種方法對于精確獲取角接觸球軸承動剛度數(shù)值仍存在一定的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種針對角接觸球軸承動剛度進(jìn)行分析的有限元模擬方法，可以很好的來模擬角接觸球軸承在特定載荷和轉(zhuǎn)速下的軸向和徑向動剛度情況。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:在三維建模軟件中建立角接觸球軸承的三維模型，并進(jìn)行模型簡化；
[0009]步驟2:對簡化后的三維模型采用全結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
[0010]步驟3:通過局部加密法對軸承的結(jié)合部細(xì)化網(wǎng)格，構(gòu)件軸承的有限元模型；
[0011]步驟4:將得到的構(gòu)件軸承的有限元模型導(dǎo)入進(jìn)LS-Dyna中進(jìn)行分析設(shè)置，得到軸承工作穩(wěn)定狀態(tài)下的動剛度值。
[0012]所述模型簡化過程包括:去除倒斜角和倒圓角，增加局部分割線以及精確調(diào)整滾珠和滾道的接觸位置。
[0013]所述局部加密法為以剖面接觸點(diǎn)為圓心的圓形局部細(xì)化加密方法。
[0014]所述分析設(shè)置過程包括對邊界條件的設(shè)置和載荷的設(shè)置。
[0015]所述邊界條件的設(shè)置包括軸承外圈的剛性面為固定約束，設(shè)置接觸對和接觸對之間的摩擦系數(shù)。
[0016]所述接觸對為滾動體、內(nèi)外圈滾道和保持架兜孔之間形成的接觸對，個數(shù)與滾珠個數(shù)相同，且為面面接觸。
[0017]所述載荷的設(shè)置包括設(shè)置對對軸承內(nèi)圈剛性面施加的轉(zhuǎn)速、對軸承內(nèi)圈剛性面的重心施加的軸向力和徑向力，以及軸承的預(yù)緊力。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn):
[0019]1.本發(fā)明在角接觸球軸承有限元模型的構(gòu)建過程中更加精確模擬軸承實(shí)際狀態(tài)，考慮到滾珠與內(nèi)外圈滾道的結(jié)合部上的接觸應(yīng)力是影響角接觸球軸承轉(zhuǎn)動過程中動剛度的主要因素，通過局部加密法對結(jié)合部進(jìn)行了細(xì)化網(wǎng)格處理，進(jìn)而得到更精確的有限元模型。
[0020]2.本發(fā)明對角接觸球軸承的有限元模型施加預(yù)緊力和外加載荷，對其內(nèi)圈施加轉(zhuǎn)速并設(shè)定邊界條件來模擬仿真軸承實(shí)際工況，最終得到有限元建模分析的結(jié)果要比理論計算值更精確。
[0021]3.本發(fā)明通過有限元建模分析，可以得到角接觸球軸承的軸向位移曲線和徑向位移曲線，并將非線性曲線數(shù)據(jù)擬合成線性直線，用軸向載荷或徑向載荷去除以相應(yīng)方向上穩(wěn)態(tài)時的位移即可得到角接觸球軸承的軸向剛度和徑向剛度，該方法思路清晰，分析結(jié)果精確。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0023]圖2為局部加密法結(jié)合部網(wǎng)格圖；
[0024]圖3為60TAC120B型角接觸球軸承局部加密網(wǎng)格圖；
[0025]圖4為60TAC120B角接觸球軸承動剛度有限元模型圖；
[0026]圖5為60TAC120B角接觸球軸承的接觸對有限元模型圖；
[0027]圖6為角接觸球軸承的內(nèi)外圈之間的軸向位移變化曲線圖；
[0028]圖7為角接觸球軸承的內(nèi)外圈之間的徑向位移變化曲線圖；
[0029]其中，I為內(nèi)圈，2為外圈，3為滾珠，4為內(nèi)圈剛性面，5為外圈剛性面，6為保持架。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0031 ]如圖1所示為本發(fā)明的方法流程圖。
[0032]本發(fā)明的數(shù)值模擬方法的過程主要分以下三步:
[0033]步驟一，在三維建模軟件中建立角接觸球軸承的三維模型，包括軸承外圈、內(nèi)圈、滾珠和保持架。然后，進(jìn)行相應(yīng)的模型簡化，例如:倒斜角和倒圓角的去除、增加局部分割線便于劃分全六面體網(wǎng)格以及滾珠和滾道接觸位置的精確調(diào)整；
[0034]步驟二，在Hypermesh軟件中進(jìn)行前處理，采用全結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過局部加密法對軸承的結(jié)合部細(xì)化網(wǎng)格，提高數(shù)值計算精度，構(gòu)件整個軸承的有限元模型；目前，比較成熟的局部加密的方法主要有:方形局部細(xì)化加密方法、圓形局部細(xì)化加密方法和任意形狀局部細(xì)化加密法。由于是滾珠和滾道接觸，這里采用以剖面接觸點(diǎn)為圓心的圓形局部細(xì)化加密方法比較適合，如圖2所示。
[0035]步驟三，將整個角接觸球軸承的有限元模型導(dǎo)入進(jìn)LS-Dyna中進(jìn)行分析設(shè)置，設(shè)置邊界條件、載荷以及接觸類型來仿真真實(shí)工況來進(jìn)行動力學(xué)分析，進(jìn)而得到整個軸承工作穩(wěn)定狀態(tài)下的動剛度值。這里面對角接觸球軸承施加的邊界條件和載荷，參見【具體實(shí)施方式】中的實(shí)例，對于滾珠和滾道以及保持架之間接觸對的建立，具體步驟為:采用面面接觸來模擬整個軸承的接觸，面面接觸類型通常用于當(dāng)一個物體的表面穿透另一個物體的表面時，接觸面允許是任意形狀且接觸面積相對較大。該接觸類型需要認(rèn)為地指定接觸面和目標(biāo)面，指定的原則仍然參照靜剛度分析時的指定原則。角接觸球軸承在工作的過程中有三處相接處