CN105608297A - 一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，在三维建模软件中建立角接触球轴承的三维模型，并进行模型简化；对简化后的三维模型采用全结构化的六面体网格进行网格划分；通过局部加密法对轴承的结合部细化网格，构件轴承的有限元模型；将得到的构件轴承的有限元模型导入进LS-Dyna中进行分析设置，得到轴承工作稳定状态下的动刚度值。本发明在角接触球轴承有限元模型的构建过程中更加精确模拟轴承实际状态，通过局部加密法对结合部进行了细化网格处理，进而得到更精确的有限元模型。

Description

一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及轴承刚度的仿真分析领域，具体地说是一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法。

背景技术

结合部是指在机械结构中零部件相互接触，载荷相互传递的区域，它可以分成固定结合部和可动结合部。其中固定结合部包括螺栓连接、焊接和铆接结合部；而可动结合部包括轴承、丝杠、导轨滑块、齿轮和销钉连接结合部等。研究表明：重型机械设备的整机刚度有几乎30％～50％受制于结合部的刚度，并且在所有设备作业过程中产生的振动问题，几乎有一半来自于结合部的刚度不匹配。因此，对结合部的刚度开展研究，对于重载设备的研发设计具有重要的指导意义。

早在上个世纪中期，前苏联的研究人员对影响机床加工精度的结合部振动问题进行了研究。到了上世纪的70至80年代，英国的相关研究人员基于赫兹接触理论就轴承这种常见的结合部开展了理论推导研究，并设计了小型的试验台通过回归分析验证了经验计算公式的正确性。但是由于当时计算机水平的落后，使得轴承动刚度的求解需要耗费大量的时间。到了20世纪后期，人们越来越意识到了结合部的动态性能对重载设备加工精度的影响，人们开展了大量的实验测试工作，包括轴承的刚度、阻尼、模态频率和寿命等，积累了大量的实验数据。到了21世纪，随着电子计算机技术的飞速发展，研究人员开始采用基于赫兹接触理论精确的迭代算法和考虑多方面的几何因素来开展结合部刚度的精确计算研究，并且有限元技术也引入到结合部的建模和仿真过程中，使得采用有限元方法分析结合部的刚度问题成为近年来的热点研究问题。

角接触球轴承动刚度传统的计算方法是采用经验公式法或是数值积分法，这两种方法在计算精度上均存在一定的误差，前者由于很多参数依靠于经验数据，因此误差较大；而后者尽管尽可能地考虑了轴承全部的参数来提高计算精度，但是滚珠和滚道之间的碰撞、间隙和非线性特征没有涵盖，因此上述两种方法对于精确获取角接触球轴承动刚度数值仍存在一定的弊端。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种针对角接触球轴承动刚度进行分析的有限元模拟方法，可以很好的来模拟角接触球轴承在特定载荷和转速下的轴向和径向动刚度情况。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：在三维建模软件中建立角接触球轴承的三维模型，并进行模型简化；

步骤2：对简化后的三维模型采用全结构化的六面体网格进行网格划分；

步骤3：通过局部加密法对轴承的结合部细化网格，构件轴承的有限元模型；

步骤4：将得到的构件轴承的有限元模型导入进LS-Dyna中进行分析设置，得到轴承工作稳定状态下的动刚度值。

所述模型简化过程包括：去除倒斜角和倒圆角，增加局部分割线以及精确调整滚珠和滚道的接触位置。

所述局部加密法为以剖面接触点为圆心的圆形局部细化加密方法。

所述分析设置过程包括对边界条件的设置和载荷的设置。

所述边界条件的设置包括轴承外圈的刚性面为固定约束，设置接触对和接触对之间的摩擦系数。

所述接触对为滚动体、内外圈滚道和保持架兜孔之间形成的接触对，个数与滚珠个数相同，且为面面接触。

所述载荷的设置包括设置对对轴承内圈刚性面施加的转速、对轴承内圈刚性面的重心施加的轴向力和径向力，以及轴承的预紧力。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在角接触球轴承有限元模型的构建过程中更加精确模拟轴承实际状态，考虑到滚珠与内外圈滚道的结合部上的接触应力是影响角接触球轴承转动过程中动刚度的主要因素，通过局部加密法对结合部进行了细化网格处理，进而得到更精确的有限元模型。

2.本发明对角接触球轴承的有限元模型施加预紧力和外加载荷，对其内圈施加转速并设定边界条件来模拟仿真轴承实际工况，最终得到有限元建模分析的结果要比理论计算值更精确。

3.本发明通过有限元建模分析，可以得到角接触球轴承的轴向位移曲线和径向位移曲线，并将非线性曲线数据拟合成线性直线，用轴向载荷或径向载荷去除以相应方向上稳态时的位移即可得到角接触球轴承的轴向刚度和径向刚度，该方法思路清晰，分析结果精确。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为局部加密法结合部网格图；

图3为60TAC120B型角接触球轴承局部加密网格图；

图4为60TAC120B角接触球轴承动刚度有限元模型图；

图5为60TAC120B角接触球轴承的接触对有限元模型图；

图6为角接触球轴承的内外圈之间的轴向位移变化曲线图；

图7为角接触球轴承的内外圈之间的径向位移变化曲线图；

其中，1为内圈，2为外圈，3为滚珠，4为内圈刚性面，5为外圈刚性面，6为保持架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的方法流程图。

本发明的数值模拟方法的过程主要分以下三步：

步骤一，在三维建模软件中建立角接触球轴承的三维模型，包括轴承外圈、内圈、滚珠和保持架。然后，进行相应的模型简化，例如：倒斜角和倒圆角的去除、增加局部分割线便于划分全六面体网格以及滚珠和滚道接触位置的精确调整；

步骤二，在Hypermesh软件中进行前处理，采用全结构化的六面体网格进行网格划分，通过局部加密法对轴承的结合部细化网格，提高数值计算精度，构件整个轴承的有限元模型；目前，比较成熟的局部加密的方法主要有：方形局部细化加密方法、圆形局部细化加密方法和任意形状局部细化加密法。由于是滚珠和滚道接触，这里采用以剖面接触点为圆心的圆形局部细化加密方法比较适合，如图2所示。

步骤三，将整个角接触球轴承的有限元模型导入进LS-Dyna中进行分析设置，设置边界条件、载荷以及接触类型来仿真真实工况来进行动力学分析，进而得到整个轴承工作稳定状态下的动刚度值。这里面对角接触球轴承施加的边界条件和载荷，参见具体实施方式中的实例，对于滚珠和滚道以及保持架之间接触对的建立，具体步骤为：采用面面接触来模拟整个轴承的接触，面面接触类型通常用于当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时，接触面允许是任意形状且接触面积相对较大。该接触类型需要认为地指定接触面和目标面，指定的原则仍然参照静刚度分析时的指定原则。角接触球轴承在工作的过程中有三处相接处，分别是滚珠与内圈滚道的接触、滚珠与外圈滚道的接触和滚珠与保持架兜孔之间的接触。

本发明建立了更精确的轴承有限元模型，将仿真分析得到的非线性数据拟合成线性，最终有限元分析的结果要比理论计算值精确。

本发明针对60TAC120B型角接触球轴承的动刚度来进行有限元建模与仿真分析。它由内圈、外圈、滚珠和保持架组成。

首先，在三维建模软件中建立了轴承的三维模型，并对其进行相应的简化：轴承的三维模型中忽略轴承内外圈和保持架的倒角；分析过程中忽略轴承游隙和油膜的影响；仿真过程中轴承的材料均作为线弹性材料。

然后，整个轴承在Hypermesh软件中进行前处理，采用全结构化的六面体网格进行网格划分。为提高数值计算精度，需要细化网格，而接触是非线性问题，其计算费用相当大，为节省资源提高效率，可以采用局部细化接触区域网格的方法。通常情况下，接触网格要细化到接触区短半轴尺寸的一半。本发明在角接触球轴承结合部采用局部加密法来细化网格，如图2所示。该方法是根据滚珠和滚道之间的点接触特点，在剖面表现为沿着接触路径并以接触点为圆心进行细化的圆，它既能够保证轴承在接触点位置附近的计算精度，又能够减小网格整体的规模。最终得到60TAC120B型角接触球轴承的有限元模型，如图3所示。

其中，轴承的内外圈和保持架采用的是SOLID164体单元，内部滚珠采用的是高阶的SOLID168体单元类型。假定轴承在工作过程中与内圈相配合的转轴刚性足够大，而轴承的外圈安装在刚度很大的轴承座孔内，这样即可以将轴承的内外圈表面作为刚性面来处理，并以此来模拟其边界条件。而由于体单元SOLID164无旋转自由度，因此需要将轴承的内外刚性面设置一层SHELL163单元以便施加轴承的外载和转速。最终得到的60TAC120B型角接触球轴承有限元模型，如图4所示。整个模型共包含512369个单元和489512个节点。

最后，将整个模型导入进LS-Dyna中进行分析设置，具体需要对其进行边界条件和载荷的设置以及接触模型的指定。边界条件的设置为轴承外圈的刚性面为固定约束，为了验证60TAC120B型角接触球轴承的动刚度，对轴承的内圈刚性面施加转速为2000r/min，分别对轴承的内圈刚性面的重心施加轴向力30000N和径向力30000N，轴承的预紧力3000N。角接触球轴承在工作的过程中有三处相接处，分别是滚珠与内圈滚道的接触、滚珠与外圈滚道的接触和滚珠与保持架兜孔之间的接触。整个轴承共设定60个接触对，接触部位如图5所示。设定滚动体与内外圈滚道和保持架兜孔之间的静摩擦系数分别为：0.3、0.3和0.2，动摩擦系数分别设定为：0.15、0.15和0.1。

仿真结束后，角接触球轴承内外圈刚性面之间在轴向和径向方向上的位移变化曲线如图6和图7所示。从中，可以看出轴承在运转过程中存在着振动，位移曲线呈现明显的非线性。尽管如此，由于转速和外载都是恒定的，仍然可以将X和Y方向上的位移数据近似看做线性关系。通过对仿真数据进行数据拟合，可以看到在轴承运转达到稳态的时间范围内位移曲线近似成为一条直线，这条直线所代表的纵坐标值也就是该转速和给定外载工况下轴承的轴向位移和径向位移数值，它是一个定值。因此，角接触球轴承的轴向刚度和径向刚度只需要用轴向力或径向力去除以相应方向上的位移即可以得到。

从图6和图7角接触球轴承的轴向位移曲线和径向位移曲线可以得到如下结论：

1)如图6所示，当轴承达到稳态时，内外圈之间的轴向位移为-5.38E-3mm，该工况下轴承的轴向动刚度为5.58E6N/mm。该数值比理论计算所得到的轴承轴向动刚度数值偏小一些，这主要是由于有限元仿真考虑了轴承各组件之间的相互作用而造成的，它比理论计算的结果要更加准确。

2)对于径向刚度，从图7可以得到，角接触球轴承稳态时的径向位移约4.6E-3mm。因此该工况下轴承的径向动刚度为6.52E6N/mm。该数值与理论计算所得到的刚度数值基本一致。

3)当角接触球轴承的转速n＝2000r/min，在轴向预紧力为3000N，外加轴向力和径向力分别为30000N时，60TAC120B型角接触球轴承的径向动态刚度要大于轴向动态刚度，并且有限元分析的结果要比理论计算值精确。

Claims (7)

1.一种角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在三维建模软件中建立角接触球轴承的三维模型，并进行模型简化；

步骤2：对简化后的三维模型采用全结构化的六面体网格进行网格划分；

步骤3：通过局部加密法对轴承的结合部细化网格，构件轴承的有限元模型；

步骤4：将得到的构件轴承的有限元模型导入进LS-Dyna中进行分析设置，得到轴承工作稳定状态下的动刚度值。

2.根据权利要求1所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述模型简化过程包括：去除倒斜角和倒圆角，增加局部分割线以及精确调整滚珠和滚道的接触位置。

3.根据权利要求1所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述局部加密法为以剖面接触点为圆心的圆形局部细化加密方法。

4.根据权利要求1所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述分析设置过程包括对边界条件的设置和载荷的设置。

5.根据权利要求4所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述边界条件的设置包括轴承外圈的刚性面为固定约束，设置接触对和接触对之间的摩擦系数。

6.根据权利要求5所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述接触对为滚动体、内外圈滚道和保持架兜孔之间形成的接触对，个数与滚珠个数相同，且为面面接触。

7.根据权利要求4所述的角接触球轴承动刚度的数值模拟方法，其特征在于：所述载荷的设置包括设置对对轴承内圈刚性面施加的转速、对轴承内圈刚性面的重心施加的轴向力和径向力，以及轴承的预紧力。