一種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及軸承剛度的仿真分析領域，具體地說是一種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法。
【背景技術】
[0002]結合部是指在機械結構中零部件相互接觸，載荷相互傳遞的區(qū)域，它可以分成固定結合部和可動結合部。其中固定結合部包括螺栓連接、焊接和鉚接結合部;而可動結合部包括軸承、絲杠、導軌滑塊、齒輪和銷釘連接結合部等。研究表明:重型機械設備的整機剛度有幾乎30%?50%受制于結合部的剛度，并且在所有設備作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動問題，幾乎有一半來自于結合部的剛度不匹配。因此，對結合部的剛度開展研究，對于重載設備的研發(fā)設計具有重要的指導意義。
[0003]早在上個世紀中期，前蘇聯(lián)的研究人員對影響機床加工精度的結合部振動問題進行了研究。到了上世紀的70至80年代，英國的相關研究人員基于赫茲接觸理論就軸承這種常見的結合部開展了理論推導研究，并設計了小型的試驗臺通過回歸分析驗證了經(jīng)驗計算公式的正確性。但是由于當時計算機水平的落后，使得軸承動剛度的求解需要耗費大量的時間。到了20世紀后期，人們越來越意識到了結合部的動態(tài)性能對重載設備加工精度的影響，人們開展了大量的實驗測試工作，包括軸承的剛度、阻尼、模態(tài)頻率和壽命等，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)。到了 21世紀，隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展，研究人員開始采用基于赫茲接觸理論精確的迭代算法和考慮多方面的幾何因素來開展結合部剛度的精確計算研究，并且有限元技術也引入到結合部的建模和仿真過程中，使得采用有限元方法分析結合部的剛度問題成為近年來的熱點研究問題。
[0004]角接觸球軸承動剛度傳統(tǒng)的計算方法是采用經(jīng)驗公式法或是數(shù)值積分法，這兩種方法在計算精度上均存在一定的誤差，前者由于很多參數(shù)依靠于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此誤差較大；而后者盡管盡可能地考慮了軸承全部的參數(shù)來提高計算精度，但是滾珠和滾道之間的碰撞、間隙和非線性特征沒有涵蓋，因此上述兩種方法對于精確獲取角接觸球軸承動剛度數(shù)值仍存在一定的弊端。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種針對角接觸球軸承動剛度進行分析的有限元模擬方法，可以很好的來模擬角接觸球軸承在特定載荷和轉速下的軸向和徑向動剛度情況。
[0006]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:
[0007]—種角接觸球軸承動剛度的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:在三維建模軟件中建立角接觸球軸承的三維模型，并進行模型簡化；
[0009]步驟2:對簡化后的三維模型采用全結構化的六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分；
[0010]步驟3:通過局部加密法對軸承的結合部細化網(wǎng)格，構件軸承的有限元模型；
[0011]步驟4:將得到的構件軸承的有限元模型導入進LS-Dyna中進行分析設置，得到軸承工作穩(wěn)定狀態(tài)下的動剛度值。
[0012]所述模型簡化過程包括:去除倒斜角和倒圓角，增加局部分割線以及精確調整滾珠和滾道的接觸位置。
[0013]所述局部加密法為以剖面接觸點為圓心的圓形局部細化加密方法。
[0014]所述分析設置過程包括對邊界條件的設置和載荷的設置。
[0015]所述邊界條件的設置包括軸承外圈的剛性面為固定約束，設置接觸對和接觸對之間的摩擦系數(shù)。
[0016]所述接觸對為滾動體、內外圈滾道和保持架兜孔之間形成的接觸對，個數(shù)與滾珠個數(shù)相同，且為面面接觸。
[0017]所述載荷的設置包括設置對對軸承內圈剛性面施加的轉速、對軸承內圈剛性面的重心施加的軸向力和徑向力，以及軸承的預緊力。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點:
[0019]1.本發(fā)明在角接觸球軸承有限元模型的構建過程中更加精確模擬軸承實際狀態(tài)，考慮到滾珠與內外圈滾道的結合部上的接觸應力是影響角接觸球軸承轉動過程中動剛度的主要因素，通過局部加密法對結合部進行了細化網(wǎng)格處理，進而得到更精確的有限元模型。
[0020]2.本發(fā)明對角接觸球軸承的有限元模型施加預緊力和外加載荷，對其內圈施加轉速并設定邊界條件來模擬仿真軸承實際工況，最終得到有限元建模分析的結果要比理論計算值更精確。
[0021]3.本發(fā)明通過有限元建模分析，可以得到角接觸球軸承的軸向位移曲線和徑向位移曲線，并將非線性曲線數(shù)據(jù)擬合成線性直線，用軸向載荷或徑向載荷去除以相應方向上穩(wěn)態(tài)時的位移即可得到角接觸球軸承的軸向剛度和徑向剛度，該方法思路清晰，分析結果精確。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0023]圖2為局部加密法結合部網(wǎng)格圖；
[0024]圖3為60TAC120B型角接觸球軸承局部加密網(wǎng)格圖；
[0025]圖4為60TAC120B角接觸球軸承動剛度有限元模型圖；
[0026]圖5為60TAC120B角接觸球軸承的接觸對有限元模型圖；
[0027]圖6為角接觸球軸承的內外圈之間的軸向位移變化曲線圖；
[0028]圖7為角接觸球軸承的內外圈之間的徑向位移變化曲線圖；
[0029]其中，I為內圈，2為外圈，3為滾珠，4為內圈剛性面，5為外圈剛性面，6為保持架。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0031 ]如圖1所示為本發(fā)明的方法流程圖。
[0032]本發(fā)明的數(shù)值模擬方法的過程主要分以下三步:
[0033]步驟一，在三維建模軟件中建立角接觸球軸承的三維模型，包括軸承外圈、內圈、滾珠和保持架。然后，進行相應的模型簡化，例如:倒斜角和倒圓角的去除、增加局部分割線便于劃分全六面體網(wǎng)格以及滾珠和滾道接觸位置的精確調整；
[0034]步驟二，在Hypermesh軟件中進行前處理，采用全結構化的六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，通過局部加密法對軸承的結合部細化網(wǎng)格，提高數(shù)值計算精度，構件整個軸承的有限元模型；目前，比較成熟的局部加密的方法主要有:方形局部細化加密方法、圓形局部細化加密方法和任意形狀局部細化加密法。由于是滾珠和滾道接觸，這里采用以剖面接觸點為圓心的圓形局部細化加密方法比較適合，如圖2所示。
[0035]步驟三，將整個角接觸球軸承的有限元模型導入進LS-Dyna中進行分析設置，設置邊界條件、載荷以及接觸類型來仿真真實工況來進行動力學分析，進而得到整個軸承工作穩(wěn)定狀態(tài)下的動剛度值。這里面對角接觸球軸承施加的邊界條件和載荷，參見【具體實施方式】中的實例，對于滾珠和滾道以及保持架之間接觸對的建立，具體步驟為:采用面面接觸來模擬整個軸承的接觸，面面接觸類型通常用于當一個物體的表面穿透另一個物體的表面時，接觸面允許是任意形狀且接觸面積相對較大。該接觸類型需要認為地指定接觸面和目標面，指定的原則仍然參照靜剛度分析時的指定原則。角接觸球軸承在工作的過程中有三處相接處