CN103761350A - 一种高速铁路轴承动力学分析方法 - Google Patents

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张建军
徐娟
张利
韩江洪
关猛
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Abstract

本发明公开了一种高速铁路轴承动力学分析方法，首先采用PRO/ENGINEER软件建立轴承装配体三维几何模型，并进行干涉检查；然后通过PRO/ENGINEER与ANSYS之间的接口，将模型导入ANSYS中进行有限元模型建立；其次施加边界约束条件并定义接触；接着根据实际工况，施加载荷；然后调用非线性显示动力学求解器ANSYS/LS-DYNA进行多体动力学分析；最后根据分析结果，评价轴承性能。采用本发明方法能够快速有效检验轴承工作性能、评价轴承结构参数、指导结构优化设计。

Description

一种高速铁路轴承动力学分析方法
技术领域
本发明涉及轴承设计方法领域，具体为一种高速铁路轴承动力学分析方法。
背景技术
    高速是我国铁路客运发展的主要方向，随着铁路运行的不断提速，性能良好的高速轴承将大量应用。提高轴承的性能与寿命，对提高整车的动力性，安全性和操纵稳定性起着至关重要的作用，因此分析轴承运转过程中各部件速度，加速度和位移量、应力的变化和分布情况，根据受力情况判断易发生疲劳破坏和失稳的部位而指导设计过程，优化结构参数就显得尤为重要。轴承的结构比较简单，但运动过程中零件之间的碰撞十分的复杂，再加上润滑油的影响，使得轴承的动力学分析十分复杂，由此建立的非线性方程组的求解也很困难。传统的实验方法，周期长，成本高，导致设计反馈周期长，而现代有限元技术为仿真模型的建立提供了强有力的工具和手段，通过在计算机上建立离散的有限元模型，快速、直观地模拟机构的动力学效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路轴承动力学分析方法，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）三维几何建模：在计算机中用PRO/ENGINEER对轴承中的零件轴承内外圈、保持架、滚子、中隔圈进行几何建模，并按各个零件间的连接关系，在PRO/ENGINEER中将各个零件的三维几何模型装配成轴承三维几何模型，轴承三维几何模型建模完成后导入PRO/MECHANISM中进行干涉检查；
（2）有限元模型的建立：
在计算机中通过PRO/ENGINEER与ANSYS之间的软件接口，将建立完成的轴承三维几何模型导入ANSYS中，设置材料属性，采用不同的网格划分方式对轴承三维几何模型中各个零件进行网格划分，从而建立出轴承的有限元模型；
（3）在ANSYS中施加边界约束：
轴承外圈与固定轴承座固联，限制其X、Y、Z方向的移动，以及绕X、Y、Z轴的转动，轴承内圈与轴联接，限制其绕X、Y轴的转动，将轴承内圈表面定义为SHELL163单元，零件之间接触设置为ASTS，自动面面接触；
（4）载荷施加：
根据不同工况，使用ANSYS中加载模块，在计算机中向轴承三维几何模型施加转速、轴向力以及径向力； 
（5）运动学分析：
完成步骤（2）至（4）后，调用ANSYS中非线性显示动力学求解器LS-DYNA进行多体动力学分析，输出轴承各零件的参数，所述参数包括应力、应变、各零件的运动速度、加速度以及保持架的位移波动；
（6）分析评价：
根据步骤（5）得到的结果参数，对轴承保持架振动、滚子轴向应力分布、以及内外圈应力分布、变形位移进行分析，若保持架振动过大、滚子边界应力集中严重、内外圈应力过大、变形过大，则对结构进行适当的优化。
所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：步骤（2）中有限元模型包括轴承内外圈、滚子、保持架中隔圈模型，在对轴承进行网格划分时，要保证重要边角处有足够的网格精度。
所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：轴承外圈外表面和内圈内表面定义为壳单元，并采用MAPPED方式进行网格划分，其它部位和其他零件定义为体单元，采用SWEEP方式进行网格划分。
所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：采用非线性显示动力学求解器LS-DYNA进行多体动力学分析，为便于施加转速和载荷将内圈表面定义为SHELL163刚性壳体单元。
本发明方法运用PRO/ENGINEER和ANSYS软件技术对轴承进行动力学分析，能够快速实现不同结构类型轴承的三维造型，快速仿真得到轴承动力学性能参数，进而对轴承的结构参数进行合理的评价，并以此指导轴承结构的改进与优化。实践表明，该方法对于轴承性能评价、指导结构优化设计是快速有效的。
附图说明
图1为具体实施方式中双列圆锥滚子轴承三维几何模型示意图。
图2为具体实施方式中轴承有限元模型示意图。
图3为具体实施方式中滚子曲线图，其中图3a为滚子中心点与滚子边缘上点的速度曲线图，图3b为滚子中心点与滚子边缘上点的加速度曲线图。
图4为具体实施方式中内圈沟道的应力变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本申请方法作进一步说明：
1、三维几何模型建立
本例采用PRO/ENGINEER软件建模。在PRO/ENGINEER中建立42滚子双列圆锥滚子轴承零件几何模型，零件包括轴承内外圈、保持架、滚子，中隔圈，并对滚子进行母线修型。按照零件间连接关系，在PRO/ENGINEER中装配成轴承三维几何模型，将轴承三维几何模型完成后导入PRO/MECHANISM模块中，进行干涉检查，避免出现零件干涉，三维几何模型见附图1。
2、轴承有限元模型建立
通过PRO/ENGINEER与ANSYS之间的软件接口，将建立完成的轴承三维几何模型导入ANSYS中进行材料定义，建立有限元模型。本例选用SOLID 164和SHELL 163两种单元类型，定义如下：外圈外表面采用SHELL163单元，实常数为1，采用Quad Free方式划分网格；外圈采用SOLID 164单元，采用SWEEP划分网格；内圈采用SOLID 164单元，采用SWEEP划分网格；保持架采用SOLID 164单元，采用四面体自由方式划分网格；滚子采用SOLID 164单元，采用SWEEP方式划分网格；内圈内表面采用SHELL 163单元，实常数为1，采用Quad Free方式划分。
3、边界约束施加
轴承外圈与固定轴承座联接，约束全部自由度，限制其X、Y、Z方向的移动，以及绕X、Y、Z轴的转动，内圈与轴联接，约束X、Y旋转自由度，限制其绕X、Y轴的转动。在 ANSYS/LS-DYNA中，SOLID164单元不具有旋转自由度，故将轴承内圈表面定义为SHELL163单元，以便于施加转速和载荷。
接触设置为ASTS，自动面面接触，面面接触建立于部件之间，即component。建立方式，42个滚子表面节点创建为contact component，内圈沟道表面、外圈沟道表面、保持架兜孔面创建为target component，共创建126个接触对。轴承有限元模型见附图2。
4、载荷施加
转速以及载荷施加在由shell163单元构成的内圈内表刚性面上，结合实际制定如下两种工况：
工况一：对应于列车在直道上行驶，只受到由于重力引起的径向载荷7.5吨，轴承转速为2140r/min；
工况二：对应于列车以最小转弯半径转向，除径向载荷外，轴向承受载荷3.75吨。
5、动力学分析
调用非线性显示动力学求解器ANSYS/LS-DYNA进行多体动力学分析，输出轴承各零件的应力、应变、各零件的运动速度、加速度以及保持架的位移波动参数。分析结果见附图3、4。
6、结果分析
鉴于动力学分析结果可得出：在正常行驶工况和最小转弯半径工况，轴承的承载出现了偏载情况，由于滚子端部的对数曲线修型，未出现显著的应力集中；轴承在转弯的过程中会出现偏载，极端情况为仅有一列滚子受载；轴承整体的应力水平不高，而且振动较小，均满足使用寿命设计要求。
该方法运用PRO/ENGINEER和ANSYS软件技术对轴承进行动力学分析，能够快速实现不同结构类型轴承的三维造型，快速仿真得到轴承动力学性能参数，进而对轴承的结构参数以及工作性能进行合理的评价，并以此指导轴承结构的改进与优化。实践表明，该方法对于检验轴承工作性能、评价轴承结构参数、指导结构优化设计是快速有效的。

Claims (4)

1.一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）三维几何建模：在计算机中用PRO/ENGINEER对轴承中的零件轴承内外圈、保持架、滚子、中隔圈进行几何建模，并按各个零件间的连接关系，在PRO/ENGINEER中将各个零件的三维几何模型装配成轴承三维几何模型，轴承三维几何模型建模完成后导入PRO/MECHANISM中进行干涉检查；
（2）有限元模型的建立：
在计算机中通过PRO/ENGINEER与ANSYS之间的软件接口，将建立完成的轴承三维几何模型导入ANSYS中，设置材料属性，采用不同的网格划分方式对轴承三维几何模型中各个零件进行网格划分，从而建立出轴承的有限元模型；
（3）在ANSYS中施加边界约束：
轴承外圈与固定轴承座固联，限制其X、Y、Z方向的移动，以及绕X、Y、Z轴的转动，轴承内圈与轴联接，限制其绕X、Y轴的转动，将轴承内圈表面定义为SHELL163单元，零件之间接触设置为ASTS，自动面面接触； 
（4）载荷施加：
根据不同工况，使用ANSYS中加载模块，向轴承三维几何模型施加转速、轴向力以及径向力载荷； 
（5）运动学分析：
完成步骤（2）至（4）后，调用ANSYS中非线性显示动力学求解器LS-DYNA进行多体动力学分析，输出轴承各零件的参数，所述参数包括应力、应变、各零件的运动速度、加速度以及保持架的位移波动；
（6）分析评价：
根据步骤（5）得到的结果参数，对轴承保持架振动、滚子轴向应力分布、以及内外圈应力分布、变形位移进行分析，若保持架振动过大、滚子边界应力集中严重、内外圈应力过大、变形过大，则对结构进行适当的优化。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：步骤（2）中有限元模型包括轴承内外圈、滚子、保持架、中隔圈模型，在对轴承进行网格划分时，要保证重要边角处有足够的网格精度。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：轴承外圈外表面和内圈内表面定义为壳单元，并采用MAPPED方式进行网格划分，其它部位和其他零件定义为体单元，采用SWEEP方式进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路轴承动力学分析方法，其特征在于：采用非线性显示动力学求解器LS-DYNA进行多体动力学分析，为便于施加转速和载荷将内圈表面定义为SHELL163刚性壳体单元。
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