基于ANSYS_LS_DYNA的滚动轴承仿真与分析

ANSYS

第24卷第9期2007年9月

机　械　设　计

JOURNALOFMACHINEDESIGNVol.24　No.9

Sep.　　2007

基于ANSYS/LS-DYNA的滚动轴承仿真与分析

张乐乐,高祥,谭南林,樊莉

(北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京　100044)

3

摘要:基于ANSYS/LS-DYNA建立了滚动轴承的有限元模型,有效处理了考虑摩擦条件的接触问题,实现了滚动轴承显式动力学的运动过程仿真。并以6003深沟球轴承为例,进行了试算和相关参数的仿真与分析,结果表明,与滚动轴承运动的实际情况基本吻合。。

关键词:滚动轴承;显式动力学;仿真中图分类号:TH133;TB122　　文献标识码:A　　文章编号:-(-　　滚动轴承是应用最为广泛的一类机械部件,的部件之一。在轨道交通方面,运行的关键部件之一,全构成重大影响,。

、辗皮、剥离、擦伤、裂损等共16种,这16碰到。绝大多数的轴承内部故障均是由轴承的制造质量所引起的,或是材质达不到设计要求,或是热处理工艺不过关,这种原始的隐患是对行车安全的最大威胁,其次,

滚动轴承在运行中难免会出现不同程度的损伤,而在高速、重载、长交路下运行的列车,轴承的故障往往会迅速扩大,在短时间内造成热轴、燃

[5]

轴、切轴,而最终导致列车颠覆等重大行车事故。

因此,通过仿真方法掌握轴承的故障特征,及时地、有针对性地监测、检查与维护是避免事故的有效手段[6]。以滚动轴承为研究对象,在物理模型的基础上,采用贴近实际的材料模型,考虑摩擦条件下的接触模型和约束条件,实现基于显式动力学的有限元仿真,并进行实例计算与参数仿真分析,进一步探讨正常轴承运动过程状态特性,是对有损轴承运动故障特征研究的基础。

atΔt2

t-Δt

-2+

t

+

Δt)t+(2)(3)

(-at=

Δ2t

t-Δt

Δt)t+

将式(2)、式(3)代入式(1)可得求解各个离散时间点解的递推公式如下:

Δt2

Δt2

Δt

2

MΔtt+

=Q-K-

Δt

2

M

t

-

Δt

2

M-

t-Δt

(4)

在给定初始条件和一定的起步计算方法后就可以利用式

(4)求解各个离散时间点的位移值。

2　有限元模型的建立

滚动轴承内部的工作情况很复杂。一般情况下,与轴承配套的主机主轴作匀速转动,轴承的内圈随之作匀速转动,在力的作用下,滚动体在轴承内部一方面产生绕轴承轴线的公转运动,同时产生绕自身轴线的自转运动。由于滚动体的受载随位置的不同而不同,使得原本应该随套圈作匀速转动的滚动体公转运动变得随位置的变化而产生了变化。滚动轴承工作时,滚动体分为受载区滚动体和非受载区滚动体。受载区内的滚动体运动受控于滚道,同步于套圈的运动;非受载区内,由于存在着阻尼,滚动体的运动滞后于套圈。这种运动的同步与滞后的交替,使得滚动体与保持架兜孔之间产生带有微量撞击现象的不连续作用,从而导致保持架的运动复杂化。

针对滚动轴承运动的特点,在仿真过程中的基本假设如下:

(1)由于轴承的倒角和边棱对轴承内部应力分布的影响很

1　基本控制方程

ANSYS/LS-DYNA是以非线性动力分析为主,应用显式时

间积分的大型有限元分析程序。在动力学有限元分析中,系统

的求解方程为:

(t)+CMa¨

(t)+K(t)=Q(t)

(1)

(t)—式中:a¨——系统的节点加速度向量;

(t)———系统的节点速度向量;

M———质量矩阵;C———阻尼矩阵;K———刚度矩阵;

Q(t)———节点载荷向量。

小,可以忽略不计,因此实体模型不包括倒角与边棱;

(2)不考虑径向游隙和轴向游隙及油膜的影响;

(3)由于轴承的塑性变形很小,所以不考虑材料非线性,假

设轴承滚动体、内外圈均为线性弹性材料。

2.1　实体模型的离散化

在动力分析中,由于惯性力和阻尼力出现在平衡方程中,

最后得到的求解方程是常微分方程组。在ANSYS/LS-DYNA下,采用直接积分法中的中心差分格式对运动方程进行积分。在中心差分法中,加速度和速度可以用位移表示为:

3收稿日期:2007-01-15;修订日期:2007-06-11

以6003深沟球轴承为例进行分析研究,其结构尺寸见表1。采用扫掠网格划分,离散后的模型如图1所示,共有11450个单元,13170个节点。

作者简介:张乐乐(1973-),女,河北秦皇岛人,博士,副教授,研究方向:安全与故障机理仿真,非线性有限元理论与应用,CAD/CAM等。

ANSYS

2007年9月张乐乐,等:基于ANSYS/LS2DYNA的滚动轴承仿真与分析

63

表1　6003深沟球轴承的基本结构尺寸

内径

d/mm外径D/mm厚度B/mm球径r/mm

17

35

10

5.5

滚珠数Z/个

10

看出内圈的转速比较大,由速度矢量方向也可明显地看到内圈

为逆时针转动,滚动体的转速较小,在外力的作用下,滚动体和内外圈之间存在摩擦力,带动滚动体同向转动。

在图3～图7中运用公式(5)计算出的μC也是不可见的,且不是唯一值,根据接触段的不同而不同,由程序在每一步计算得到。

图1　网格划分后的滚动轴承实体模型

2.2　材料模型参数的确定

6003,

图2　t=0.6ms轴承速度场

保持架为冷轧钢板,材料模型。表2部件名称滚动体内外圈保持架

密度ρ(37.83×10-67.83×10-6

弹性模量

泊松比

υ

0.30.24

206196

图3“时间-最大等效应力”的曲线图。曲线的无规则变化说明了各部件在运动过程中应力变化的强烈非线性。通过对计算得到的位移场、速度场、应变场、应力场的分析表[2]明:

(1)轴承各部件的最大应力值存在差异。滚动体的最大应力均值最大,最大应力水平从高到低依次是滚动体、内圈、外圈和保持架。

2.3　接触模型与载荷

由滚动轴承工作特点可知,在运动过程中,滚动轴承各部件之间存在3种接触,即滚动体与内圈外表面之间的接触、滚动体与外圈内表面之间的接触及滚动体与保持架兜孔之间的接触。接触类型选择为普通的“面-面”接触。

ANSYS/LS-DYNA的接触摩擦基于库仑公式,摩擦因数μC由式(5)给定:

-DC Vrel

μC=fD+(fS-fD)e

(5)

式中:fS———静摩擦因数;

fD———动摩擦因数;

DC———指数衰减系数,取值为0.01;

Vrel———接触面间的相对速度,根据接触情况由程序自动计算得

图3　轴承各个部件最大接触应力变化曲线

到。

(2)保持架的最大应力变化程度最大,说明保持架的应力

为了考虑摩擦的影响,将轴承实际的摩擦因数、润滑油和

[4]

挡边等模型综合考虑,建立了现有的摩擦因数,相应数值的设置见表3。

表3　接触模型中摩擦参数的取值

目标面

内圈外表面

f=0.1fD=0.05

外圈内表面

f=0.1fD=0.05

保持架兜孔

f=0.002fD=01001

滚动体

　　载荷包括速度载荷和外力载荷,假设轴承匀速运动

,取值为v=4000r/min;外力载荷为恒定外力,取值为F=1.5kN,以均布力的形式作用于轴承外圈。

3　仿真过程实现与分析

根据上述建立的模型和相应取值,实现了滚动轴承在正常条件下的运动仿真。3.1　实例计算

图2中速度向量为初始位置点在不同时刻的线速度。可以

变化最为剧烈。最大应力稳 …… 此处隐藏：5662字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……