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基于方程式分布?jí)毫Φ妮S承殼體載荷仿真實(shí)現(xiàn)方法與流程

文檔序號(hào):11677830閱讀:642來源:國(guó)知局
基于方程式分布?jí)毫Φ妮S承殼體載荷仿真實(shí)現(xiàn)方法與流程
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù),具體是一種基于方程式分布?jí)毫Φ妮S承殼體載荷仿真實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)
:有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種工程實(shí)用數(shù)值分析方法,現(xiàn)已成為航空、航天、機(jī)械、土木等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析中必不可少的計(jì)算工具。虛擬仿真已經(jīng)取代了一部分傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),大大縮短了設(shè)計(jì)周期,降低了設(shè)計(jì)成本。例如,對(duì)變速器殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,可在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中位置,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。但有限元分析的準(zhǔn)確性和高效性往往相互制約,難以兼顧:更精細(xì)的網(wǎng)格、更準(zhǔn)確的模型意味著更準(zhǔn)確的結(jié)果,但也會(huì)大大增加建模時(shí)間和計(jì)算時(shí)間,占用過多計(jì)算資源,簡(jiǎn)化的模型會(huì)節(jié)省計(jì)算成本,卻可能導(dǎo)致過大的計(jì)算誤差。如何利用較少的時(shí)間和資源得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果是有限元分析在具體工程問題應(yīng)用中所要探索及解決的一個(gè)問題。軸承是重要的機(jī)械傳動(dòng)部件,軸承傳動(dòng)具有摩擦力小、易啟動(dòng)、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于精密儀器、航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)床等領(lǐng)域。軸承作為傳動(dòng)部件,其支撐件如殼體需要承受較大的載荷,這會(huì)造成殼體軸承支撐處附近位移及應(yīng)力過大,較大的變形會(huì)影響傳動(dòng)精度,造成齒輪磨損、振動(dòng)噪聲等問題,過大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致殼體開裂、壽命降低等問題,因此對(duì)由軸承造成的殼體變形及應(yīng)力進(jìn)行仿真對(duì)于殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壽命評(píng)估等具有重要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無法兼顧準(zhǔn)確性與高效性的問題,提出一種基于方程式分布?jí)毫Φ妮S承殼體載荷仿真實(shí)現(xiàn)方法,通過將軸承徑向力以方程式分布?jí)毫Φ男问郊虞d在徑向半面,使得力的大小隨位置變化,方向始終垂直于加載面,與實(shí)際受力情況更加吻合,并且采用線性求解器,可以使用較少的建模、計(jì)算時(shí)間得到較準(zhǔn)確的殼體應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明無須建立軸承部件及接觸對(duì),確保計(jì)算收斂,在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的前提下大大降低了人工、計(jì)算成本,從而既滿足建模簡(jiǎn)單,計(jì)算耗時(shí)、占用資源少的要求,又能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明包括以下步驟:第一步,根據(jù)動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算得到系統(tǒng)坐標(biāo)系下的每個(gè)軸承計(jì)算點(diǎn)處受到的xyz方向力,以計(jì)算點(diǎn)為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系,該局部坐標(biāo)系中x向?yàn)閺较蚝狭Ψ较?,xy為徑向平面,z向?yàn)檩S向。第二步,根據(jù)軸承i的半徑ri、軸承軸向?qū)挾萮i、徑向合力大小建立徑向力的分布?jí)毫虞d方程,具體為:為分布?jí)毫?,?shù)值在徑面隨角度呈余弦變化,y為局部坐標(biāo)系下每個(gè)單元中心位置的y坐標(biāo),由有限元軟件獲取。第三步,選擇軸承i局部坐標(biāo)系下xi>0區(qū)域?yàn)閺较蛄虞d區(qū)域,在有限元軟件中輸入分布?jí)毫虞d方程,加載區(qū)域?yàn)檩S承外圈和殼體接觸的一個(gè)半面區(qū)域,可以通過選擇xi>0區(qū)域的3d網(wǎng)格和接觸區(qū)的節(jié)點(diǎn)獲得所要的加載面。第四步,以均布?jí)毫Φ男问綄⑤S向力加載在軸向力受載區(qū)域上。第五步,在hypermesh中建立有限元仿真模型并求解線性靜態(tài)問題,得到殼體的應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果,從而進(jìn)一步進(jìn)行殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。技術(shù)效果與現(xiàn)有技術(shù)相比,兼顧了計(jì)算準(zhǔn)確性和高效性,相對(duì)于傳統(tǒng)的軸承簡(jiǎn)化方法,本發(fā)明提高了計(jì)算準(zhǔn)確度,相對(duì)于完整的軸承建模方法,在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的前提下,大大降低了建模、計(jì)算時(shí)間,避免了非線性的收斂性問題。該方法可以根據(jù)不同軸承參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的加載方程,在殼體仿真方面具有通用性,可以用較少的建模、計(jì)算時(shí)間得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。附圖說明圖1為方程式分布?jí)毫Φ膹较蛄虞d結(jié)果示意圖;圖2為模型建立過程示意圖;圖3為目前2種軸承載荷的建模方法示意圖;圖中:(a)為耦合約束rbe3,(b)為完整軸承模型圖4為軸承圈受力模型示意圖;圖中:(a)為耦合約束rbe3,(b)為本發(fā)明分布?jí)毫D5為軸承外圈理論變形及載荷分布示意圖;圖中:(a)為軸承徑向變形,(b)為載荷分布圖6為位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比示意圖;圖中:(a)為耦合約束rbe3連接,(b)為完整軸承模型,(c)為本發(fā)明分布?jí)毫?。具體實(shí)施方式基于有限元?dú)んw靜力仿真的軸承載荷的施加方法包括以下兩種:①使用耦合約束rbe3建立加載點(diǎn)與殼體之間的約束關(guān)系并以此搭建模型(“耦合約束rbe3”名詞解釋:即hypermesh中的rbe3單元或abaqus中的分布耦合約束,一種將受力單元的n個(gè)節(jié)點(diǎn)(即主節(jié)點(diǎn))連接到一個(gè)從節(jié)點(diǎn)上的方法,如圖3(a)所示,當(dāng)載荷f施加在從節(jié)點(diǎn)上時(shí),各個(gè)主節(jié)點(diǎn)的力fi=f/n,如圖4(a)所示)。但這種方法施加的力大小、方向、區(qū)域等與實(shí)際情況(如圖5所示)有差別,軸承附近的應(yīng)力位移分布可能存在較大的誤差,并且當(dāng)網(wǎng)格疏密不同時(shí),應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)密集處會(huì)比疏松處更集中,網(wǎng)格質(zhì)量不高會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中;②建立包括軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體(滾動(dòng)體可使用gap單元代替)的整個(gè)軸承模型,在外圈和殼體間建立接觸,如圖3(b)所示,這種仿真模型更貼近實(shí)際情況,有研究將這種方案和實(shí)驗(yàn)對(duì)比,誤差較小,但此方案建模過程復(fù)雜、分析問題為非線性問題,計(jì)算過程占用大量cpu、內(nèi)存資源,且可能遇到計(jì)算不收斂問題,所以這種方案不適用于設(shè)計(jì)改進(jìn)階段產(chǎn)品反復(fù)的結(jié)構(gòu)改型。如圖2所示,本實(shí)施例包括以下步驟:第一步,在ug中建立殼體三維模型,并導(dǎo)入到hypermesh軟件中劃分網(wǎng)格、賦予材料屬性、建立剛性連接。第二步,根據(jù)masta軟件計(jì)算得到系統(tǒng)坐標(biāo)系下的每個(gè)軸承計(jì)算點(diǎn)處受到的xyz方向力,以計(jì)算點(diǎn)為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系,該局部坐標(biāo)系中x向?yàn)閺较蚝狭Ψ较?,xy為徑向平面,z向?yàn)檩S向。所述的軸承計(jì)算點(diǎn),具體是指:計(jì)算軸系受力狀態(tài)時(shí)對(duì)每個(gè)軸承的幾何簡(jiǎn)化,位于各個(gè)軸承圈內(nèi)部的軸線上。所述的xyz方向力,具體是指:在masta中計(jì)算得到的系統(tǒng)坐標(biāo)系下各個(gè)軸承對(duì)支撐件的作用力,可以在hypermesh中直接將計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入,所述徑向合力指每個(gè)軸承徑向平面內(nèi)的合力,例如軸承i在系統(tǒng)坐標(biāo)系下其徑向平面的受力為fx和fy,則其徑向合力為:所述的局部坐標(biāo)系,具體是指:以徑向合力的方向?yàn)閤軸、軸向?yàn)閦軸建立笛卡爾直角坐標(biāo)系,如圖1所示。第三步,根據(jù)軸承i的半徑ri、軸承軸向?qū)挾萮i、徑向合力大小建立徑向力的分布?jí)毫虞d方程,具體為:為分布?jí)毫?,?shù)值在徑面隨角度呈余弦變化,y為局部坐標(biāo)系下每個(gè)單元中心位置的y坐標(biāo),由有限元軟件獲取。第四步,選擇軸承i局部坐標(biāo)系下xi>0區(qū)域?yàn)閺较蛄虞d區(qū)域,在有限元軟件中輸入分布?jí)毫虞d方程,加載區(qū)域?yàn)檩S承外圈和殼體接觸的一個(gè)半面區(qū)域,可以通過選擇xi>0區(qū)域的3d網(wǎng)格和接觸區(qū)的節(jié)點(diǎn)獲得所要的加載面。第五步,以均布?jí)毫Φ男问綄⑤S向力加載在軸向力受載區(qū)域上。所述的均布?jí)毫Φ男问骄唧w是指:軸向力受載區(qū)域?yàn)檩S承的底部支撐端面,其面上各處受力大小方向相同:其中:為軸向力大小,為端面面積。也可以將端面節(jié)點(diǎn)通過耦合約束rbe3連接,在從節(jié)點(diǎn)上施加第六步,在hypermesh中建立有限元仿真模型并求解線性靜態(tài)問題,得到殼體的應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果,從而進(jìn)一步進(jìn)行殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。相對(duì)于傳統(tǒng)的軸承簡(jiǎn)化方法,提高了計(jì)算準(zhǔn)確度,相對(duì)于完整的軸承建模方法,在保證計(jì)算準(zhǔn)確度的前提下,大大降低了建模、計(jì)算時(shí)間,避免了非線性的收斂性問題。該方法可以根據(jù)不同軸承參數(shù)建立對(duì)應(yīng)的加載方程,在殼體仿真方面具有通用性,可以用較少的建模、計(jì)算時(shí)間得到較準(zhǔn)確的結(jié)果,為殼體的質(zhì)量評(píng)估、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、筋條位置的布置等提供更簡(jiǎn)便可靠的依據(jù)。本方法與已有的2種建模方法對(duì)比如表1所示。表1三種仿真方案的對(duì)比耦合約束rbe3完整軸承模型方程式分布?jí)毫r(shí)間較短較長(zhǎng)一般計(jì)算時(shí)間較短較長(zhǎng)較短準(zhǔn)確度一般較準(zhǔn)確較準(zhǔn)確分析問題類型線性非線性線性占用cpu內(nèi)存資源較少較多較少在某一型號(hào)的變速器殼體上分別用上述三種方案搭建模型,某一工況下差速器處殼體軸承的位移圖如圖6所示。從圖中可以看到,在徑向合力fx的作用下,三種方案計(jì)算得到的位移圖分布總體上大致相同,但耦合約束rbe3方案在合力方向背面也出現(xiàn)了較大位移(如圖6(a)種虛線所示),與實(shí)際情況不符。完整軸承模型、分布?jí)毫Ψ桨傅奈灰茍D中,徑向合力的方向位移最大,沿兩側(cè)逐漸減小,和實(shí)際情況較為吻合使用。另外,耦合約束rbe3、完整軸承模型、分布?jí)毫θN方案計(jì)算得到的最大位移分別為0.7666mm、0.6904mm、0.6993mm,若以完整軸承模型方案計(jì)算得到的結(jié)果作為實(shí)際值,則耦合約束rbe3、分布?jí)毫Φ挠?jì)算誤差分別為11.0%、1.3%,可見,利用分布?jí)毫υ诓幻黠@增加建模、計(jì)算時(shí)間等條件下,提高了計(jì)算準(zhǔn)確度。相對(duì)于建立完整軸承模型,本發(fā)明大大減小計(jì)算時(shí)間及計(jì)算機(jī)cpu、內(nèi)存的占用量,降低計(jì)算機(jī)資源占用及電能消耗:本模型中完整軸承模型方案使用16核、64g內(nèi)存占滿計(jì)算3-4h,方程式分布?jí)毫Ψ桨甘褂?6核、16g內(nèi)存計(jì)算1h左右。上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整,本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所限,在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。當(dāng)前第1頁12
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