利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法.docx

利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法专利名称：利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法技术领域：本发明属于转盘轴承校核领域，具体的说是利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法背景技术：转盘轴承是一类能够同时承受径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩载荷联合作用的特殊结构的轴承，被广泛应用于起重机、挖掘机、盾构机、堆料机、风力发电机、医疗CT机、雷达天线以及天文望远镜等机械系统的回转机构中对转盘轴承的滚动体载荷分布进行分析计算，并进一步计算出轴承的安全系数，是该类轴承选型应用和结构设计的依据，其中最关键的是转盘轴承的滚动体载荷分布的计算转盘轴承的滚动体载荷分布的计算方法有两种:解析法和有限元法解析法需要先建立轴承的数学模型，再利用计算机程序语言将数学模型进行编程，利用计算机程序进行求解，这对技术人员的要求较高，在实际中工程技术人员难以掌握使用有限元法需要利用有限元分析软件建立轴承的有限元模型，再进行求解计算在利用有限元软件计算转盘轴承滚动体载荷分布的传统方法中，先对套圈和滚动体进行实体建模，并采用四面体单元S0LID92划分网格另外，在滚动体和滚道的接触部位，还要在滚动体的接触表面创建接触单元C0NTACT174，在滚道的接触表面创建目标单元TARGET170，模型建完后进行求解运算。

这种有限元模型占用的计算机资源很大，对计算机的配置要求高，计算时间长(约为数天)，尤其是经常遇到不收敛问题而导致计算失败发明内容为解决现有的有限元法先计算轴承滚动体载荷然后再利用该载荷数据计算安全系数时存在的对计算机配置要求高、计算时间长且容易导致计算失败的问题，本发明提供了一种利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法，该方法采用有限元软件进行转盘轴承的建模，然后施加载荷并求解得到受载最大的滚动体的载荷，并以此为依据套用公式计算出安全系数，然后判断该安全系数是否满足要求本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为:利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法，在ANSYS有限元软件中建立转盘轴承的模型，然后在建立的转盘轴承模型的外圈下端面上施加全自由度约束、在内圈的上端面施加轴向载荷和倾覆力矩载荷以及在内圈的内径圆柱面上施加径向载荷，然后在以上受力条件下求解得到转盘轴承中所有滚动体的载荷数据，使用所有滚动体载荷数据中最大的载荷数据计算得到滚动体与滚道之间的最大接触应力，再利用该最大接触应力和给定材料的许用接触应力计算得到滚道的安全系数fs，将滚道的安全系数fs与所要满足的安全系数fs'相比较，若fs >fs'，则此转盘轴承满足要求； 所述建立转盘轴承的模型的包括如下步骤:I)根据转盘轴承的结构参数在ANSYS有限元软件中建立转盘轴承的内圈实体和外圈实体； 2)在步骤I)的基础上，在每个滚动体与两条滚道的作用位置分别创建一个关键点，将每一对关键点相连得到线段以代替一个滚动体； 3)在步骤2)的基础上利用ANSYS数据库内的四面体单元S0LID92对内圈和外圈实体进行网格划分，利用ANSYS数据库内的杆单元LINKlO对代表滚动体的线段进行网格划分，完成建模过程。

所述转盘轴承模型的内圈实体和外圈实体，其建立包括以下步骤: 首先，根据转盘轴承的结构参数在ANSYS有限元软件中建立转盘轴承轴向截面轮廓上的关键点，然后连接建立的关键点生成转盘轴承轴向截面的轮廓线； 其次，在上述基础上利用转盘轴承的参数建立转盘轴承内圈和外圈的截面，然后将内圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成内圈实体，将外圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成外圈实体有益效果:本发明较现有技术具有如下优越性: 1)本发明利用有限元软件ANSYS人机交互操作的界面优势，相对于传统的通过数学建模和编程求解计算的解析法来说，降低了对使用人员的要求； 2)本发明利用有限元分析软件ANSYS建立转盘轴承的“杆-实体”混合有限元模型，省去了实体滚动体与实体滚道之间接触模型，该有限元模型显著降低了对计算机资源的要求，将计算时间大大缩短； 3)本发明所建立的有限元模型，省去了实体滚动体与实体滚道之间的非线性接触计算，将计算时间缩短为几十秒钟，避免了计算的不收敛问题图1为三排圆柱滚子转盘轴承结构示意 图2为转盘轴承套圈轴向截面轮廓线示意 图3为转盘轴承套圈的单元网格示意 图4为转盘轴承有限元模型的单元类型示意 图5为转盘轴承有限元模型的边界约束与加载示意 图6为使用本发明方法计算出的转盘轴承的滚动体载荷分布示意 图7为使用本发明方法的计算结果； 图8为使用传统解析法的计算结果； 附图标记:1、内圈，2、内圈，3、滚动体，4、隔离块，5、密封圈，6、密封圈，7、滚动体，8、保持架，9、滚动体，10、保持架，11、密封圈，12、外圈。

具体实施例方式为了更清楚的理解本发明，以下结合附图及实施实例对本发明作进一步的详细描述如某主机所使用转盘轴承的结构形式为三排滚子转盘轴承，如附图1所示，主要由内圈(1，2)、滚动体(3，7，9)、保持架(8，10)、隔离块(4)、密封圈(5、6、11)、外圈(12)构成，其中，上排滚动体为主推力滚子，下排滚动体为辅推力滚子，中间一排滚动体为径向滚子轴承的主要结构参数如下:主推力滚子中心圆直径为5796 _，主推力滚子直径为50mm，主推力滚子长度为50 mm，主推力滚子数量为294 ;辅推力滚子中心圆直径为5790 mm,辅推力滚子直径为40 mm，辅推力滚子长度为40 mm，辅推力滚子数量为354 ;径向滚子中心圆直径为5706 mm，径向滚子直径为30mm，径向滚子长度为30mm，径向滚子数量为448轴承在工作时承受载荷如下:径向载荷为1000kN，轴向载荷为800 kN，倾覆力矩为IOOOOkN.m主机要求轴承的安全系数为2.5，要求计算轴承的安全系数能否满足要求利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法，包括以下步骤: 1)根据转盘轴承的结构参数在ANSYS有限元软件中建立转盘轴承轴向截面的关键点，然后连接建立的关键点生成转盘轴承轴向截面的轮廓线； 首先，设置本发明转盘轴承有限元模型所用到的两种单元类型:四面体单元S0LID92和杆单元LINKlO ； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Element Type (单兀类型)—Add/Edit/Delete (增加 / 编辑/删除)”，弹出“Element Types”对话框，在对话框中添加S0LID92和LINK10两种单元类型； 其次，在轴承的轴向截面中，套圈的截面是由若干条线段组成的封闭区域，在这些线段的端点建立关键点，如，外圈上排滚道与上端面的交点、外圈上端面与外圆柱面的交点、夕卜圈外圆柱面与下端面的交点等； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)—Creat (创建)—Keypoints (关键点)—In Active CS (在活动坐标系中)”，然后弹出对话框，在对话框中输入关键点的编号和坐标值。

按照这种方法创建所有的关键点； 最后，在轴承的轴向截面中，连接已定义的相邻关键点得到截面的轮廓线； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)—Creat (创建)—Line (线)—Lines(创建线)一In Active CS (在活动坐标系中)”，然后弹出对话框，用鼠标依次选中两个关键点生成线段，按照这种方法创建所有的线段，这些线段构成套圈的截面轮廓，如附图2所示； 2)在步骤I)的基础上利用转盘轴承的参数建立转盘轴承内圈和外圈的截面，然后将内圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成内圈实体，将外圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成外圈实体； 首先，在轴承的轴向截面中，由已定义的套圈的截面轮廓线生成内圈和外圈的截面； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)—Creat (创建)—Area (面)—Arbitrary(任意形状)一By Lines (通过线)”，然后弹出对话框，用鼠标依次选内圈的截面轮廓线，点击“0K”按钮得到内圈的截面。

按照这种方法再得到外圈的截面； 其次，将内圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成内圈实体；将外圈截面绕轴承轴线旋转扫掠360°生成外圈实体； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)—Operate (操作)—Extrude (拉伸)—Areas(面)一About Axis(关于轴)”,然后弹出对话框,用鼠标选内圈的截面，点击“OK”按钮；再弹出对话框，用鼠标选旋转轴线上的两个关键点，点击“0K”按钮；弹出“Swe印Areasabout Axis”对话框，在对话框中输入旋转角度为360°，生成内圈实体；按照这种方法再生成外圈实体； 3)在步骤2)的基础上，在每个滚动体与两条滚道的作用位置分别创建一个关键点，将每一对关键点相连得到线段以代替一个滚动体； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)—Creat (创建)—Keypoints (关键点)—In Active CS (在活动坐标系中)”，然后弹出对话框，在对话框中输入关键点的编号和坐标值，按照这种方法创建所有的关键点； 在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)一Preprocessor (前处理器)—Modeling (建模)一Creat (创建)一Line (线)一Lines (创建线)一In Active CS (在活动坐标系中)”，然后弹出对话框，用鼠标依次选中两个关键点生成线段；按照这种方法创建所有的线段，用每一条线段代替一个滚动体； 4)在步骤3)的基础上，对内圈实体、外圈实体以及代表滚动体的线段进行网格划分； 首先，利用四面体单元S0LID92对内圈和外圈实体划分网格；具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Meshing (网格)—Mesh Attributes (网格属性)—AllVolumes (所有体)”，然后弹出“Volume Attributes”对话框，设置单元的类型为“S0LID92”；在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)一Preprocessor (前处理器)—Meshing (网格)一Mesh (划分网格)一Volumes (体)一Free (自由划分)”，然后弹出“Mesh Volume”对话框，用鼠标选中轴承的内圈和外圈实体模型，点击“OK”按钮进行网格划分，如附图3所示； 其次，利用杆单元LINKlO对代表滚动体的线段进行网格划分； 具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)—Preprocessor (前处理器)—Meshing (网格)—Mesh Attributes (网格属性)—AllLines (所有线)”，然后弹出“Line Attributes”对话框，设置单元的类型为“LinklO” ； 在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)一Preprocessor 。