基于ANSYS_LS_DYNA的滚动轴承仿真与分析good- 摩擦系数

ANSYS LS_DYNA 滚动轴承 仿真

第24卷第9期2007年9月

机　械　设　计

JOURNALOFMACHINEDESIGNVol.24　No.9

Sep.　　2007

基于ANSYS/LS-DYNA的滚动轴承仿真与分析

张乐乐,高祥,谭南林,樊莉

(北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京　100044)

3

摘要:基于ANSYS/LS-DYNA建立了滚动轴承的有限元模型,有效处理了考虑摩擦条件的接触问题,实现了滚动轴承显式动力学的运动过程仿真。并以6003深沟球轴承为例,进行了试算和相关参数的仿真与分析,结果表明,与滚动轴承运动的实际情况基本吻合。不同工况下的参数仿真分析是进一步研究故障轴承运动仿真与分析的基础。

关键词:滚动轴承;显式动力学;仿真中图分类号:TH133;TB122　　文献标识码:A　　文章编号:1001-2354(2007)09-0062-03　　滚动轴承是应用最为广泛的一类机械部件,也是最易受损

的部件之一。在轨道交通方面,滚动轴承是铁路机车车辆安全运行的关键部件之一,全构成重大影响,裂损等共16种,碰到。起的,,或是热处理工艺不过关,这种原始的隐患是对行车安全的最大威胁,其次,滚动轴承在运行中难免会出现不同程度的损伤,而在高速、重载、长交路下运行的列车,轴承的故障往往会迅速扩大,在短时间内造成热轴、燃

[5]

轴、

切轴,而最终导致列车颠覆等重大行车事故。

因此,通过仿真方法掌握轴承的故障特征,及时地、有针对性地监测、检查与维护是避免事故的有效手段[6]。以滚动轴承为研究对象,在物理模型的基础上,采用贴近实际的材料模型,考虑摩擦条件下的接触模型和约束条件,实现基于显式动力学的有限元仿真,并进行实例计算与参数仿真分析,进一步探讨正常轴承运动过程状态特性,是对有损轴承运动故障特征研究的基础。

at=

t-t

-2t

Δt)t+(2)(3)

t=

t-Δt

Δt)t+

将式(2)、式(3)代入式(1)可得求解各个离散时间点解的递推公式如下:

Δt2

Δt2

Δt

2

MΔtt+

=Q-K-

Δt

2

M

t

-

Δt

2

M-

t-Δt

(4)

在给定初始条件和一定的起步计算方法后就可以利用式

(4)求解各个离散时间点的位移值。

2　有限元模型的建立

滚动轴承内部的工作情况很复杂。一般情况下,与轴承配套的主机主轴作匀速转动,轴承的内圈随之作匀速转动,在力的作用下,滚动体在轴承内部一方面产生绕轴承轴线的公转运动,同时产生绕自身轴线的自转运动。由于滚动体的受载随位置的不同而不同,使得原本应该随套圈作匀速转动的滚动体公转运动变得随位置的变化而产生了变化。滚动轴承工作时,滚动体分为受载区滚动体和非受载区滚动体。受载区内的滚动体运动受控于滚道,同步于套圈的运动;非受载区内,由于存在着阻尼,滚动体的运动滞后于套圈。这种运动的同步与滞后的交替,使得滚动体与保持架兜孔之间产生带有微量撞击现象的不连续作用,从而导致保持架的运动复杂化。

针对滚动轴承运动的特点,在仿真过程中的基本假设如下:

(1)由于轴承的倒角和边棱对轴承内部应力分布的影响很

1　基本控制方程

ANSYS/LS-DYNA是以非线性动力分析为主,应用显式时

间积分的大型有限元分析程序。在动力学有限元分析中,系统

的求解方程为:

(t)+CMa¨

(t)+K(t)=Q(t)

(1)

(t)—式中:a¨——系统的节点加速度向量;

(t)———系统的节点速度向量;

M———质量矩阵;C———阻尼矩阵;K———刚度矩阵;

Q(t)———节点载荷向量。

小,可以忽略不计,因此实体模型不包括倒角与边棱;

(2)不考虑径向游隙和轴向游隙及油膜的影响;

(3)由于轴承的塑性变形很小,所以不考虑材料非线性,假

设轴承滚动体、内外圈均为线性弹性材料。

2.1　实体模型的离散化

在动力分析中,由于惯性力和阻尼力出现在平衡方程中,

最后得到的求解方程是常微分方程组。在ANSYS/LS-DYNA下,采用直接积分法中的中心差分格式对运动方程进行积分。在中心差分法中,加速度和速度可以用位移表示为:

3收稿日期:2007-01-15;修订日期:2007-06-11

以6003深沟球轴承为例进行分析研究,其结构尺寸见表1。采用扫掠网格划分,离散后的模型如图1所示,共有11450个单元,13170个节点。

作者简介:张乐乐(1973-),女,河北秦皇岛人,博士,副教授,研究方向:安全与故障机理仿真,非线性有限元理论与应用,CAD/CAM等。

ANSYS LS_DYNA 滚动轴承 仿真

2007年9月张乐乐,等:基于ANSYS/LS2DYNA的滚动轴承仿真与分析

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表1　6003深沟球轴承的基本结构尺寸

内径

d/mm外径D/mm厚度B/mm球径r/mm

17

35

10

5.5

滚珠数Z/个

10

看出内圈的转速比较大,由速度矢量方向也可明显地看到内圈

为逆时针转动,滚动体的转速较小,在外力的作用下,滚动体和内外圈之间存在摩擦力,带动滚动体同向转动。在图3～图7中运用公式(5)计算出的μC也是不可见的,且不是唯一值,根据接触段的不同而不同,由程序在每一步计算得到。

图1　网格划分后的滚动轴承实体模型

2.2　材料模型参数的确定

6003深沟球轴承的内外圈及滚动体的材料均为GCr15钢图2=.6s保持架为冷轧钢板,材料模型。相关参数选择如表2。

2部件名称滚动体内外圈保持架

37.83×10-67.83×10-6

泊松比

υ

0.30.24

206196

3“时间”的曲线图。曲线的无。、速度场、应变场、应力场的分析表[2]:

(1)轴承各部件的最大应力值存在差异。滚动体的最大应力均值最大,最大应力水平从高到低依次是滚动体、内圈、外圈和保持架。

2.3　接触模型与载荷

由滚动轴承工作特点可知,在运动过程中,滚动轴承各部件之间存在3种接触,即滚动体与内圈外表面之间的接触、滚动体与外圈内表面之间的接触及滚动体与保持架兜孔之间的接触。接触类型选择为普通的“面-面”接触。

ANSYS/LS-DYNA的接触摩擦基于库仑公式,摩擦因数μC由式(5)给定:

-DC Vrel

μC=fD+(fS-fD)e

(5)

式中:fS———静摩擦因数;

fD———动摩擦因数;

DC———指数衰减系数,取值为0.01;

Vrel———接触面间的相对速度,根据接触情况由程序自动计算得

图3　轴承各个部件最大接触应力变化曲线

到。

(2)保持架的最大应力变化程度最大,说明保持架的应力

为了考虑摩擦的影响,将轴承实际的摩擦因数、润滑油和

[4]

挡边等模型综合考虑,建立了现有的摩擦因数,相应数值的设置见表3。

表3　接触模型中摩擦参数的取值

目标面

内圈外表面

f=0.1fD=0.05

外圈内表面

f=0.1fD=0.05

保持架兜孔

f=0.

002fD=01001

滚动体

　　载荷包括速度载荷和外力载荷,假设轴承匀速运动,取值为v=4000r/min;外力载荷为恒定外力,取值为F=1.5kN

,以均布力的形式作用于轴承外圈。

3　仿真过程实现与分析

根据上述建立的模型和相应取值,实现了滚动轴承在正常条件下的运动仿真。3.1　实例计算

图2中速度向量为初始位置点在不同时刻的线速度。可以

变化最为剧烈。最大应力稳定性从低到高依次是保持架、滚动

体、外圈和内圈。

因此,保持架的运动情况相对于内圈、外圈和滚动体有其特性,其应力发展表现为大的非稳性。而轴承在实际使用过程中,特别是机车滚动轴承,保持架的故障比率要高于其它轴承部件。埃斯曼等人认为,在轴承滚动过程中材料的动态应力是轴承疲劳的原因,出现疲劳的时间与应力大小及应力变动程度有关[1]。如果单从应力变动的程度上讲,仿真的结果正好说明了保持架是最容易损坏的部件,与事实是吻合的。3.2　参数仿真与分析

选取外载荷和转动速度为参数,针对不同工况,对深沟球轴承进行了运动仿真。在初始状态下,节点18为位于轴承最上端的滚动体与外圈内表面的接触点,由于这个位置特殊,比较容易判断计算结果是否正确,因此,选择这个点为观察点进行应力分析。

事实上,ANSYS程序允许用户观察任意节点的计算结果,根据需要可以进行选择。因此,如果仿真模型和过程可行、可靠,可以分析任意位置的受力、接触等情况。

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3.2.1　同一转速、不同外载荷接触应力分析

机　械　设　计第24卷第9期

DYNA下考虑摩擦条件的接触问题,成功实现了基于显式动力

由于后期实验装置能够施加的外力载荷大小有限,实例计算中的外力取值主要考虑配合实验的情况,以便进行对比和验证。因此,外载荷分别取为0.5kN,1.5kN和2.5kN,转速取为4000r/min。

在载荷施加过程中,外力载荷简化为轴承外圈的均布力形式,按照程序要求施加以后,程序自动分解到有限元的节点上,通过接触的定义和计算传递到滚珠上,因此,没有以解析的方式给出外力与单个滚珠受力的关系。

如图4所示,等效应力值的分布情况用3种线型表示,横坐标为等效应力值,纵坐标为出现的频率。当载荷增加时,应力分布曲线向右偏移且最大值随载荷的增大而增大。说明随着载荷的增加,滚动体在非承载区及承载区内的应力水平整体增加

。

学的有限元仿真。结果分析显示,仿真计算与正常轴承运动的实际现象基本吻合

。

6　v4000rin的等效应力曲线

图4　不同载荷下等效应力统计分析

3.2.2　同一外载荷、不同转速计算结果分析图7　v=6000r/min时节点18的等效应力曲线

计算参数采用外载荷1.5kN,转速分别为2000r/min,

4000r/min和6000r/min。图5～图7所示为节点18的等效应力随时间变化曲线

。

(2)不同工况条件下的参数仿真与分析,是进一步研究轴

承运动过程受力、变形、损伤等内在机理的基础。同时,获得了部件关键点各种场量信息。

(3)在滚动轴承运动过程仿真分析实现的基础上,可以进一步实现故障轴承运动过程的仿真和参数分析,通过与相应试验的验证和测试,为轴承故障特征提取提供依据。

参考文献

[1]　埃斯曼哈斯巴根.滚动轴承设计与应用手册[M].武汉:华中

工学院出版社,1985.

[2]　樊莉.机车棍动轴承运动、故障状态仿真与实验研究[D].北

京:北京交通大学,2006.

[3]　张乐乐,谭南林,焦风川.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].

北京:北京交通大学出版社,2006.

图5　v=2000r/min时节点18的等效应力曲线

[4]　樊莉,谭南林.基于显示动力学的滚动轴承接触应力有限元分析

[J].北京交通大学学报,2006,30(4):109-112.

[5]　范文明,邓立,孟庆江.铁路货车滚动轴承故障对行车安全的影

转速的提高对滚动体应力的影响与时间有关,且在仿真时

间内,均出现3个主应力峰值。转速对第一应力峰值的影响较小,如转速为2000r/min时,第一峰值的最大值为0.16GPa,当转速为4000r/min时为0.2GPa,转速上升至6000r/min时仍为0.2GPa;转速变化对第二应力峰值的影响也不太明显。

响及防范[J].铁道技术监督,2004(4):35-36.

[6]　JonesAB.Themathematicaltheoryofrollingelementsbearings[M].

MechanicalDesignandSystemsHandbookNewYork:McGraw2Hill,1966:1-76.

4　结论

(1)建立了滚动轴承运动的有限元模型,在ANSYS/LS-

SimulationandanalysisonrollingbearingsbasedonAN2SYS/LS2DYNA

ZHANGLe2le,GAOXiang,TANNan2lin,FANLi

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薄板剥离机构的力矩分析与机构设计

梁莉,胡晓朋

(深圳大学工程技术学院,广东深圳　518060)

3

摘要:对被液体所吸附的薄板作了剥离力矩公式验证实验,并据此设计出一种简易的人工剥离薄板工具。关键词:吸附力;剥离力矩;剥离工具中图分类号:TH112　　文献标识码:A　　文章编号:1001-2354(2007)09-0065-03　　有色金属薄板加工过程中,需要将单张板从整叠板材中分离。由于板面光滑且相互间涂有防锈油,一般工具不能顺利完成对单板的剥离,为此提供一种专用剥离工具的设计方案。在设计方案论证过程中,薄板滚动剥离力矩公式的正确性是立案的重要依据。通过相关研究,时所需滚动力矩的公式,,主要尺寸、用的设计方案。

式中:σmax———液体表面张力;

c———液体密度;g;l;R0。

由于在相关的研究中,曾推出液面断裂高度Hmax为:

Hmax=2

cg

(2)

所以薄板被剥离时液体产生的反抗力矩也可以表示为:

1　滚动剥离公式验证性实验

1.1　实验装置及原理

T(R)=(Hmax-H0)σmaxl+

2

2

(Hmax-H20)

(3)

在前期,对浸润液体对板材表面的吸附力及剥离薄板板材

所需的力矩进行了相关的研究,推导出利用圆柱体滚动方式来剥离一对被液体吸附的薄板时剥离力矩T的表达式(假设薄板无弯曲反力)。图1为薄板滚动剥离过程示意图

。

在设计剥离工具之前,为了能准确使用该公式,需要对其进行验证。具体实验装置如图2所示。

10.1mm厚的机油;2ABS薄板;3弹簧秤;

4划线平台;5负重玻璃板

图2　滚动剥离实验装置

图1　薄板滚动剥离图

剥离力矩公式为:

T(R)=

2

2

cg

σmax+2Rcg-H2

cg

+H0R其中ABS塑料板规格为475mm×740mm×1mm、室内温

度20℃,另外配有高度尺、长度尺、质量计等附属工具。

查文献[3],得知L-AN46全损耗系统用机油的张力系数为σmax=0.073N/m,c=800kg/m3,其中混入少量0.09mm的颗粒,并在塑料板上加重物以保证两板间隙为H0=10-4m。取

(1)

(StateKeyLaboratoryofControlandSafetyonRailwayTraf2fic,BeijingTrafficUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Finiteelementmodelofrollingbearingwasestab2lishedonthebasisofANSYS/LS2DYNA,thusthecontactingprob2lemsthatconsideredtheconditionoffrictionhasbeendealtwithef2fectivelyandthemovingprocesssimulationofexplicitformulady2namicswasachieved.Takingthe6003deepgrooveballbearingasanexample,thetentativecalculationandsimulationanalysisofcor2

relatedparameterswerecarriedout.Theresultshowedthatitcoin2cidesbasicallywiththepracticalconditionofthemotionofrollingbearing.Parametricsimulationanalysisunderdifferentworkingcon2ditionsisthefoundationforfurtherstudyonmotionsimulationandanalysisoffailurebearings.

Keywords:rollingbearing;explicitdynamics;simulationFig7Tab3Ref6

“JixieSheji”7010

3收稿日期:2006-06-27;修订日期:2007-04-10

作者简介:梁莉(1951-),女,山西平遥人,硕士,副教授,专业方向:机械设计、构构分析与综合。