一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，首先采用PRO/ENGINEER軟件建立軸承裝配體三維幾何模型，并進(jìn)行干涉檢查；然后通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的接口，將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元模型建立；其次施加邊界約束條件并定義接觸；接著根據(jù)實際工況，施加載荷；然后調(diào)用非線性顯示動力學(xué)求解器ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析；最后根據(jù)分析結(jié)果，評價軸承性能。采用本發(fā)明方法能夠快速有效檢驗軸承工作性能、評價軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
【專利說明】一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軸承設(shè)計方法領(lǐng)域，具體為一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速是我國鐵路客運發(fā)展的主要方向，隨著鐵路運行的不斷提速，性能良好的高速軸承將大量應(yīng)用。提高軸承的性能與壽命，對提高整車的動力性，安全性和操縱穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，因此分析軸承運轉(zhuǎn)過程中各部件速度，加速度和位移量、應(yīng)力的變化和分布情況，根據(jù)受力情況判斷易發(fā)生疲勞破壞和失穩(wěn)的部位而指導(dǎo)設(shè)計過程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)就顯得尤為重要。軸承的結(jié)構(gòu)比較簡單，但運動過程中零件之間的碰撞十分的復(fù)雜，再加上潤滑油的影響，使得軸承的動力學(xué)分析十分復(fù)雜，由此建立的非線性方程組的求解也很困難。傳統(tǒng)的實驗方法，周期長，成本高，導(dǎo)致設(shè)計反饋周期長，而現(xiàn)代有限元技術(shù)為仿真模型的建立提供了強(qiáng)有力的工具和手段，通過在計算機(jī)上建立離散的有限元模型，快速、直觀地模擬機(jī)構(gòu)的動力學(xué)效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:包括以下步驟:
(1)三維幾何建模:在計算機(jī)中用PRO/ENGINEER對軸承中的零件軸承內(nèi)外圈、保持架、滾子、中隔圈進(jìn)行幾何建模，并按各個零件間的連接關(guān)系，在PRO/ENGINEER中將各個零件的三維幾何模型裝配成軸承三維幾何模型，軸承三維幾何模型建模完成后導(dǎo)入PRO/MECHANISM中進(jìn)行干涉檢查；
(2)有限元模型的建立:
在計算機(jī)中通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性，采用不同的網(wǎng)格劃分方式對軸承三維幾何模型中各個零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而建立出軸承的有限元模型；
(3)在ANSYS中施加邊界約束:
軸承外圈與固定軸承座固聯(lián)，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)圈與軸聯(lián)接，限制其繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動，將軸承內(nèi)圈表面定義為SHELL163單元，零件之間接觸設(shè)置為ASTS，自動面面接觸；
(4)載荷施加:
根據(jù)不同工況，使用ANSYS中加載模塊，在計算機(jī)中向軸承三維幾何模型施加轉(zhuǎn)速、軸向力以及徑向力；
(5)運動學(xué)分析:
完成步驟(2)至(4)后，調(diào)用ANSYS中非線性顯示動力學(xué)求解器LS-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析，輸出軸承各零件的參數(shù)，所述參數(shù)包括應(yīng)力、應(yīng)變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動；
(6)分析評價:
根據(jù)步驟(5)得到的結(jié)果參數(shù)，對軸承保持架振動、滾子軸向應(yīng)力分布、以及內(nèi)外圈應(yīng)力分布、變形位移進(jìn)行分析，若保持架振動過大、滾子邊界應(yīng)力集中嚴(yán)重、內(nèi)外圈應(yīng)力過大、變形過大，則對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。
[0005]所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:步驟(2)中有限元模型包括軸承內(nèi)外圈、滾子、保持架中隔圈模型，在對軸承進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，要保證重要邊角處有足夠的網(wǎng)格精度。
[0006]所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:軸承外圈外表面和內(nèi)圈內(nèi)表面定義為殼單元，并采用MAPPED方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其它部位和其他零件定義為體單元，采用SWEEP方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0007]所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:采用非線性顯示動力學(xué)求解器LS-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析，為便于施加轉(zhuǎn)速和載荷將內(nèi)圈表面定義為SHELL163剛性殼體單元。
[0008]本發(fā)明方法運用PRO/ENGINEER和ANSYS軟件技術(shù)對軸承進(jìn)行動力學(xué)分析，能夠快速實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)類型軸承的三維造型，快速仿真得到軸承動力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)而對軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的評價，并以此指導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化。實踐表明，該方法對于軸承性能評價、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是快速有效的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為【具體實施方式】中雙列圓錐滾子軸承三維幾何模型示意圖。
[0010]圖2為【具體實施方式】中軸承有限元模型示意圖。
[0011]圖3為【具體實施方式】中滾子曲線圖，其中圖3a為滾子中心點與滾子邊緣上點的速度曲線圖，圖3b為滾子中心點與滾子邊緣上點的加速度曲線圖。
[0012]圖4為【具體實施方式】中內(nèi)圈溝道的應(yīng)力變化曲線。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本申請方法作進(jìn)一步說明:
1、三維幾何模型建立
本例采用PRO/ENGINEER軟件建模。在PRO/ENGINEER中建立42滾子雙列圓錐滾子軸承零件幾何模型，零件包括軸承內(nèi)外圈、保持架、滾子，中隔圈，并對滾子進(jìn)行母線修型。按照零件間連接關(guān)系，在PRO/ENGINEER中裝配成軸承三維幾何模型，將軸承三維幾何模型完成后導(dǎo)入PRO/MECHANISM模塊中，進(jìn)行干涉檢查，避免出現(xiàn)零件干涉，三維幾何模型見附圖1o
[0014]2、軸承有限元模型建立
通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行材料定義，建立有限元模型。本例選用SOLID 164和SHELL 163兩種單元類型，定義如下:外圈外表面采用SHELL163單元，實常數(shù)為1，采用Quad Free方式劃分網(wǎng)格；外圈采用SOLID 164單元，采用SWEEP劃分網(wǎng)格；內(nèi)圈采用SOLID 164單元，采用SWEEP劃分網(wǎng)格；保持架采用SOLID 164單元，采用四面體自由方式劃分網(wǎng)格；滾子采用SOLID 164單元，采用SWEEP方式劃分網(wǎng)格；內(nèi)圈內(nèi)表面采用SHELL 163單元，實常數(shù)為1，采用QuadFree方式劃分。
[0015]3、邊界約束施加
軸承外圈與固定軸承座聯(lián)接，約束全部自由度，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動，內(nèi)圈與軸聯(lián)接，約束X、Y旋轉(zhuǎn)自由度，限制其繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動。在ANSYS/LS-DYNA中，S0LID164單元不具有旋轉(zhuǎn)自由度，故將軸承內(nèi)圈表面定義為SHELL163單元，以便于施加轉(zhuǎn)速和載荷。
[0016]接觸設(shè)置為ASTS,自動面面接觸,面面接觸建立于部件之間，即component。建立方式,42個滾子表面節(jié)點創(chuàng)建為contact component,內(nèi)圈溝道表面、外圈溝道表面、保持架3?孔面創(chuàng)建為target component,共創(chuàng)建126個接觸對。軸承有限元模型見附圖2。
[0017]4、載荷施加
轉(zhuǎn)速以及載荷施加在由shelll63單元構(gòu)成的內(nèi)圈內(nèi)表剛性面上，結(jié)合實際制定如下兩種工況:
工況一:對應(yīng)于列車在直道上行駛，只受到由于重力引起的徑向載荷7.5噸，軸承轉(zhuǎn)速為 2140r/min ；
工況二:對應(yīng)于列車以最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向，除徑向載荷外，軸向承受載荷3.75噸。
[0018]5、動力學(xué)分析
調(diào)用非線性顯示動力學(xué)求解器ANSYS/LS`-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析，輸出軸承各零件的應(yīng)力、應(yīng)變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動參數(shù)。分析結(jié)果見附圖3、4。
[0019]6、結(jié)果分析
鑒于動力學(xué)分析結(jié)果可得出:在正常行駛工況和最小轉(zhuǎn)彎半徑工況，軸承的承載出現(xiàn)了偏載情況，由于滾子端部的對數(shù)曲線修型，未出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中；軸承在轉(zhuǎn)彎的過程中會出現(xiàn)偏載，極端情況為僅有一列滾子受載；軸承整體的應(yīng)力水平不高，而且振動較小，均滿足使用壽命設(shè)計要求。
[0020]該方法運用PRO/ENGINEER和ANSYS軟件技術(shù)對軸承進(jìn)行動力學(xué)分析，能夠快速實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)類型軸承的三維造型，快速仿真得到軸承動力學(xué)性能參數(shù)，進(jìn)而對軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作性能進(jìn)行合理的評價，并以此指導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化。實踐表明，該方法對于檢驗軸承工作性能、評價軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是快速有效的。
【權(quán)利要求】
1.一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)三維幾何建模:在計算機(jī)中用PRO/ENGINEER對軸承中的零件軸承內(nèi)外圈、保持架、滾子、中隔圈進(jìn)行幾何建模，并按各個零件間的連接關(guān)系，在PRO/ENGINEER中將各個零件的三維幾何模型裝配成軸承三維幾何模型，軸承三維幾何模型建模完成后導(dǎo)入PRO/MECHANISM中進(jìn)行干涉檢查； (2)有限元模型的建立: 在計算機(jī)中通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性，采用不同的網(wǎng)格劃分方式對軸承三維幾何模型中各個零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而建立出軸承的有限元模型； (3)在ANSYS中施加邊界約束: 軸承外圈與固定軸承座固聯(lián)，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)圈與軸聯(lián)接，限制其繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動，將軸承內(nèi)圈表面定義為SHELL163單元，零件之間接觸設(shè)置為ASTS，自動面面接觸； (4)載荷施加: 根據(jù)不同工況，使用ANSYS中加載模塊，向軸承三維幾何模型施加轉(zhuǎn)速、軸向力以及徑向力載荷； (5)運動學(xué)分析: 完成步驟(2)至(4)后，調(diào)用ANSYS中非線性顯示動力學(xué)求解器LS-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析，輸出軸承各零件的參數(shù)，所述參數(shù)包括應(yīng)力、應(yīng)變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動； (6)分析評價: 根據(jù)步驟(5)得到的結(jié)果參數(shù)，對軸承保持架振動、滾子軸向應(yīng)力分布、以及內(nèi)外圈應(yīng)力分布、變形位移進(jìn)行分析，若保持架振動過大、滾子邊界應(yīng)力集中嚴(yán)重、內(nèi)外圈應(yīng)力過大、變形過大，則對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:步驟(2)中有限元模型包括軸承內(nèi)外圈、滾子、保持架、中隔圈模型，在對軸承進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，要保證重要邊角處有足夠的網(wǎng)格精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:軸承外圈外表面和內(nèi)圈內(nèi)表面定義為殼單元，并采用MAPPED方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其它部位和其他零件定義為體單元，采用SWEEP方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學(xué)分析方法，其特征在于:采用非線性顯示動力學(xué)求解器LS-DYNA進(jìn)行多體動力學(xué)分析，為便于施加轉(zhuǎn)速和載荷將內(nèi)圈表面定義為SHELL163剛性殼體單元。
【文檔編號】G06F17/50GK103761350SQ201310468130
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】張建軍, 徐娟, 張利, 韓江洪, 關(guān)猛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)