專利名稱：利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于轉盤軸承校核領域，具體的說是利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法。
背景技術：
轉盤軸承是一類能夠同時承受徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩載荷聯(lián)合作用的特殊結構的軸承，被廣泛應用于起重機、挖掘機、盾構機、堆料機、風力發(fā)電機、醫(yī)療CT機、雷達天線以及天文望遠鏡等機械系統(tǒng)的回轉機構中。對轉盤軸承的滾動體載荷分布進行分析計算，并進一步計算出軸承的安全系數(shù)，是該類軸承選型應用和結構設計的依據(jù)，其中最關鍵的是轉盤軸承的滾動體載荷分布的計算。轉盤軸承的滾動體載荷分布的計算方法有兩種:解析法和有限元法。解析法需要先建立軸承的數(shù)學模型，再利用計算機程序語言將數(shù)學模型進行編程，利用計算機程序進行求解，這對技術人員的要求較高，在實際中工程技術人員難以掌握使用。有限元法需要利用有限元分析軟件建立軸承的有限元模型，再進行求解計算。在利用有限元軟件計算轉盤軸承滾動體載荷分布的傳統(tǒng)方法中，先對套圈和滾動體進行實體建模，并采用四面體單元S0LID92劃分網(wǎng)格。另外，在滾動體和滾道的接觸部位，還要在滾動體的接觸表面創(chuàng)建接觸單元C0NTACT174，在滾道的接觸表面創(chuàng)建目標單元TARGET170，模型建完后進行求解運算。這種有限元模型占用的計算機資源很大，對計算機的配置要求高，計算時間長(約為數(shù)天)，尤其是經(jīng)常遇到不收斂問題而導致計算失敗。

發(fā)明內容
為解決現(xiàn)有的有限元法先計算軸承滾動體載荷然后再利用該載荷數(shù)據(jù)計算安全系數(shù)時存在的對計算機配置要求高、計算時間長且容易導致計算失敗的問題，本發(fā)明提供了一種利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，該方法采用有限元軟件進行轉盤軸承的建模，然后施加載荷并求解得到受載最大的滾動體的載荷，并以此為依據(jù)套用公式計算出安全系數(shù)，然后判斷該安全系數(shù)是否滿足要求。本發(fā)明為解決上述技術問題采用的技術方案為:利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承的模型，然后在建立的轉盤軸承模型的外圈下端面上施加全自由度約束、在內圈的上端面施加軸向載荷和傾覆力矩載荷以及在內圈的內徑圓柱面上施加徑向載荷，然后在以上受力條件下求解得到轉盤軸承中所有滾動體的載荷數(shù)據(jù)，使用所有滾動體載荷數(shù)據(jù)中最大的載荷數(shù)據(jù)計算得到滾動體與滾道之間的最大接觸應力，再利用該最大接觸應力和給定材料的許用接觸應力計算得到滾道的安全系數(shù)fs，將滾道的安全系數(shù)fs與所要滿足的安全系數(shù)fs'相比較，若fs > fs'，則此轉盤軸承滿足要求；
所述建立轉盤軸承的模型的包括如下步驟:
I)根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承的內圈實體和外圈實體；
2)在步驟I)的基礎上，在每個滾動體與兩條滾道的作用位置分別創(chuàng)建一個關鍵點，將每一對關鍵點相連得到線段以代替一個滾動體；
3)在步驟2)的基礎上利用ANSYS數(shù)據(jù)庫內的四面體單元S0LID92對內圈和外圈實體進行網(wǎng)格劃分，利用ANSYS數(shù)據(jù)庫內的桿單元LINKlO對代表滾動體的線段進行網(wǎng)格劃分，完成建模過程。所述轉盤軸承模型的內圈實體和外圈實體，其建立包括以下步驟:
首先，根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承軸向截面輪廓上的關鍵點，然后連接建立的關鍵點生成轉盤軸承軸向截面的輪廓線；
其次，在上述基礎上利用轉盤軸承的參數(shù)建立轉盤軸承內圈和外圈的截面，然后將內圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成內圈實體，將外圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成外圈實體。有益效果:本發(fā)明較現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)越性:
1)本發(fā)明利用有限元軟件ANSYS人機交互操作的界面優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的通過數(shù)學建模和編程求解計算的解析法來說，降低了對使用人員的要求；
2)本發(fā)明利用有限元分析軟件ANSYS建立轉盤軸承的“桿-實體”混合有限元模型，省去了實體滾動體與實體滾道之間接觸模型，該有限元模型顯著降低了對計算機資源的要求，將計算時間大大縮短；
3)本發(fā)明所建立的有限元模型，省去了實體滾動體與實體滾道之間的非線性接觸計算，將計算時間縮短為幾十秒鐘，避免了計算的不收斂問題。


圖1為三排圓柱滾子轉盤軸承結構示意 圖2為轉盤軸承套圈軸向截面輪廓線示意 圖3為轉盤軸承套圈的單元網(wǎng)格示意 圖4為轉盤軸承有限元模型的單元類型示意 圖5為轉盤軸承有限元模型的邊界約束與加載示意 圖6為使用本發(fā)明方法計算出的轉盤軸承的滾動體載荷分布示意 圖7為使用本發(fā)明方法的計算結果；
圖8為使用傳統(tǒng)解析法的計算結果；
附圖標記:1、內圈，2、內圈，3、滾動體，4、隔離塊，5、密封圈，6、密封圈，7、滾動體，8、保持架，9、滾動體，10、保持架，11、密封圈，12、外圈。
具體實施例方式為了更清楚的理解本發(fā)明，以下結合附圖及實施實例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。如某主機所使用轉盤軸承的結構形式為三排滾子轉盤軸承，如附圖1所示，主要由內圈(1，2)、滾動體(3，7，9)、保持架(8，10)、隔離塊(4)、密封圈(5、6、11)、外圈(12)構成，其中，上排滾動體為主推力滾子，下排滾動體為輔推力滾子，中間一排滾動體為徑向滾子。軸承的主要結構參數(shù)如下:主推力滾子中心圓直徑為5796 _，主推力滾子直徑為50mm，主推力滾子長度為50 mm，主推力滾子數(shù)量為294 ;輔推力滾子中心圓直徑為5790 mm,輔推力滾子直徑為40 mm，輔推力滾子長度為40 mm，輔推力滾子數(shù)量為354 ;徑向滾子中心圓直徑為5706 mm，徑向滾子直徑為30mm，徑向滾子長度為30mm，徑向滾子數(shù)量為448。軸承在工作時承受載荷如下:徑向載荷為1000kN，軸向載荷為800 kN，傾覆力矩為IOOOOkN.m。主機要求軸承的安全系數(shù)為2.5，要求計算軸承的安全系數(shù)能否滿足要求。利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，包括以下步驟:
1)根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承軸向截面的關鍵點，然后連接建立的關鍵點生成轉盤軸承軸向截面的輪廓線；
首先，設置本發(fā)明轉盤軸承有限元模型所用到的兩種單元類型:四面體單元S0LID92和桿單元LINKlO ；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)—Preprocessor (前處理器)—Element Type (單兀類型)—Add/Edit/Delete (增加 / 編輯/刪除)”，彈出“Element Types”對話框，在對話框中添加S0LID92和LINK10兩種單元類型；
其次，在軸承的軸向截面中，套圈的截面是由若干條線段組成的封閉區(qū)域，在這些線段的端點建立關鍵點，如，外圈上排滾道與上端面的交點、外圈上端面與外圓柱面的交點、夕卜圈外圓柱面與下端面的交點等；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)
—Preprocessor (前處理器)—Modeling (建模)—Creat (創(chuàng)建)—Keypoints (關鍵點)
—In Active CS (在活動坐標系中)”，然后彈出對話框，在對話框中輸入關鍵點的編號和坐標值。按照這種方法創(chuàng)建所有的關鍵點；
最后，在軸承的軸向截面中，連接已定義的相鄰關鍵點得到截面的輪廓線；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)
—Preprocessor (前處理器)—Modeling (建模)—Creat (創(chuàng)建)—Line (線)—Lines(創(chuàng)建線)一In Active CS (在活動坐標系中)”，然后彈出對話框，用鼠標依次選中兩個關鍵點生成線段，按照這種方法創(chuàng)建所有的線段，這些線段構成套圈的截面輪廓，如附圖2所示；
2)在步驟I)的基礎上利用轉盤軸承的參數(shù)建立轉盤軸承內圈和外圈的截面，然后將內圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成內圈實體，將外圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成外圈實體；
首先，在軸承的軸向截面中，由已定義的套圈的截面輪廓線生成內圈和外圈的截面； 具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)
—Preprocessor (前處理器)—Modeling (建模)—Creat (創(chuàng)建)—Area (面)—Arbitrary(任意形狀)一By Lines (通過線)”，然后彈出對話框，用鼠標依次選內圈的截面輪廓線，點擊“0K”按鈕得到內圈的截面。按照這種方法再得到外圈的截面；
其次，將內圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成內圈實體；將外圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成外圈實體；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)—Preprocessor (前處理器)—Modeling (建模)—Operate (操作)—Extrude (拉伸)—Areas(面)一About Axis(關于軸)”,然后彈出對話框,用鼠標選內圈的截面，點擊“OK”按鈕；再彈出對話框，用鼠標選旋轉軸線上的兩個關鍵點，點擊“0K”按鈕；彈出“Swe印Areasabout Axis”對話框，在對話框中輸入旋轉角度為360°，生成內圈實體；按照這種方法再生成外圈實體；
3)在步驟2)的基礎上，在每個滾動體與兩條滾道的作用位置分別創(chuàng)建一個關鍵點，將每一對關鍵點相連得到線段以代替一個滾動體；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)
—Preprocessor (前處理器)—Modeling (建模)—Creat (創(chuàng)建)—Keypoints (關鍵點)
—In Active CS (在活動坐標系中)”，然后彈出對話框，在對話框中輸入關鍵點的編號和坐標值，按照這種方法創(chuàng)建所有的關鍵點；
在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)一Preprocessor (前處理器)
—Modeling (建模)一Creat (創(chuàng)建)一Line (線)一Lines (創(chuàng)建線)一In Active CS (在活動坐標系中)”，然后彈出對話框，用鼠標依次選中兩個關鍵點生成線段；按照這種方法創(chuàng)建所有的線段，用每一條線段代替一個滾動體；
4)在步驟3)的基礎上，對內圈實體、外圈實體以及代表滾動體的線段進行網(wǎng)格劃分； 首先，利用四面體單元S0LID92對內圈和外圈實體劃分網(wǎng)格；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)—Preprocessor (前處理器)—Meshing (網(wǎng)格)—Mesh Attributes (網(wǎng)格屬性)—AllVolumes (所有體)”，然后彈出“Volume Attributes”對話框，設置單元的類型為“S0LID92”；在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)一Preprocessor (前處理器)
—Meshing (網(wǎng)格)一Mesh (劃分網(wǎng)格)一Volumes (體)一Free (自由劃分)”，然后彈出“Mesh Volume”對話框，用鼠標選中軸承的內圈和外圈實體模型，點擊“OK”按鈕進行網(wǎng)格劃分，如附圖3所示；
其次，利用桿單元LINKlO對代表滾動體的線段進行網(wǎng)格劃分；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)—Preprocessor (前處理器)—Meshing (網(wǎng)格)—Mesh Attributes (網(wǎng)格屬性)—AllLines (所有線)”，然后彈出“Line Attributes”對話框，設置單元的類型為“LinklO” ；
在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)一Preprocessor (前處理器)
—Meshing (網(wǎng)格)一Mesh (劃分網(wǎng)格)一Lines (線)，然后彈出“Mesh Line”對話框,用鼠標逐一選中每一根代表每一個滾動體的線段，點擊“0K”按鈕進行網(wǎng)格劃分，如附圖4所示；
5)在步驟4)建立的轉盤軸承模型的外圈下端面上施加全自由度約束、在內圈的上端面施加軸向載荷和傾覆力矩載荷、在內圈的內徑圓柱面上施加徑向載荷；
首先，對轉盤軸承模型的外圈下端面施加所有自由度的約束；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu(主菜單)一Solution(求解)—Define Loads (定義載荷)—Apply (加載)—Structural (結構)—Displacement(位移)一On Areas (在面上)”,然后彈出“Apply U, ROT on Areas”對話框,用鼠標選中軸承外圈的下底面，點擊“0K”按鈕，彈出“Apply U, ROT on Areas”對話框，在對話框中設置“ALL D0F”，再點擊“0K”按鈕，對軸承的外圈下端面施加所有自由度的約束(包括沿著X、Y、Z坐標軸的平移自由度和繞著X、Y、Z坐標軸的旋轉自由度)，如附圖5所示；
其次，在軸承的內圈上分別施加軸向載荷、傾覆力矩載荷以及在在內圈的內徑圓柱面上施加徑向載荷；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu(主菜單)一Solution(求解)—Define Loads (定義載荷)—Apply (加載)—Structural (結構)—Pressure (壓力)一On Areas (在面上)”,然后彈出“Apply PRES on Areas”對話框,用鼠標選中軸承內圈的上端面，點擊“0K”按鈕，彈出“Apply PRES on Areas”對話框，在對話框中設置“LoadPRES value”的數(shù)值，再點擊“0K”按鈕，完成軸承的軸向加載。按照此方法，用鼠標選中軸承內圈的內圓柱面，完成軸承的徑向加載；
在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)一Solution (求解)一DefineLoads (定義載荷)一Apply (加載)一Structural (結構)一Force/Moment (力 / 力矩)
—On Nodes (在節(jié)點上)”，然后彈出“Apply F/M on Nodes”對話框，用鼠標選中軸承內圈的上端面，點擊“0K”按鈕，彈出“Apply F/M on Nodes”對話框，在對話框中設置載荷的方向和數(shù)值，再點擊“0K”按鈕。按照同樣的方法，在軸承內圈的上端面與此載荷相對應的徑向位置施加一個大小相等且方向相反的載荷，實現(xiàn)軸承的力矩加載，如附圖5所示；
6)對所建立的轉盤軸承模型在步驟5)的受力條件下進行求解，得到轉盤軸承的所有滾動體的載荷數(shù)據(jù)；
具體操作如下:在ANSYS軟件的界面中，通過操作“Main Menu (主菜單)一Solution(求解)一Solve (求解)一Current LS (求解當前載荷步)”,點擊“0K”按鈕進行有限元模型的求解；
在ANSYS求解完成后,在界面中通過操作“Main Menu(主菜單)一GeneralPostproc (通用后處理器)一List Results (列表顯示結果)一Nodal Loads (節(jié)點載荷)”,彈出“ListNodal Loads”對話框，在對話框中選中“All items”，點擊“OK”按鈕進行求解結果的輸出；
7)利用滾動體受到的最大載荷數(shù)據(jù)進行軸承的安全系數(shù)計算
通過對有限元模型的求解計算，得到所有的滾動體載荷數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以進行軸承的安全系數(shù)計算。附圖6所示為利用本發(fā)明方法計算出的轉盤軸承的滾動體載荷分布，從圖中數(shù)據(jù)可以得到最大滾動體載荷Qmax，根據(jù)公式。_=190.6.(Qfflax.Σ P/lw)°_5可以計算得到滾動體與滾道之間的最大接觸應力σ_。給定轉盤軸承材料的許用接觸應力[ο max]=4000MPa，再利用公式fs=([ σ max]/o max)2可以計算得到算每排滾道的安全系數(shù)。所述公式中各項參數(shù)符號表示的含義如下:
ΣP-主曲率和函數(shù)
Iw—滾子長度
本發(fā)明方法與傳統(tǒng)解析法的計算結果分別如附圖7和附圖8所示；
由附圖7和附圖8可以得出，利用本發(fā)明提供的方法計算出的結果與傳統(tǒng)解析法計算出的結果十分接近，這說明本發(fā)明所建立的簡化的轉盤軸承有限元模型是合理的。根據(jù)本發(fā)明方法的計算結果，軸承的安全系數(shù)為表I中安全系數(shù)中的最小值:16.661，以此系數(shù)作為軸承選型和設計是否滿足要求的判斷依據(jù):此軸承安全系數(shù)遠大于主機所要求的2.5，能夠滿足主機要求，且較為富余，即該轉盤軸承滿足要求。
權利要求
1.利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承的模型，然后在建立的轉盤軸承模型的外圈下端面上施加全自由度約束、在內圈的上端面施加軸向載荷和傾覆力矩載荷以及在內圈的內徑圓柱面上施加徑向載荷，然后在以上受力條件下求解得到轉盤軸承中所有滾動體的載荷數(shù)據(jù)，使用所有滾動體載荷數(shù)據(jù)中最大的載荷數(shù)據(jù)計算得到滾動體與滾道之間的最大接觸應力，再利用該最大接觸應力和給定材料的許用接觸應力計算得到滾道的安全系數(shù)fs，將滾道的安全系數(shù)fs與所要滿足的安全系數(shù)fs'相比較，若fs > fs'，則此轉盤軸承滿足要求； 其特征在于:所述建立轉盤軸承的模型的包括如下步驟: 1)根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承的內圈實體和外圈實體； 2)在步驟I)的基礎上，在每個滾動體與兩條滾道的作用位置分別創(chuàng)建一個關鍵點，將每一對關鍵點相連得到線段以代替一個滾動體； 3)在步驟2)的基礎上利用ANSYS數(shù)據(jù)庫內的四面體單元S0LID92對內圈和外圈實體進行網(wǎng)格劃分，利用ANSYS數(shù)據(jù)庫內的桿單元LINKlO對代表滾動體的線段進行網(wǎng)格劃分，完成建模過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，其特征在于:所述轉盤軸承模型內圈實體和外圈實體，其建立包括以下步驟: 1)根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS有限元軟件中建立轉盤軸承軸向截面的關鍵點，然后連接建立的關鍵點生成轉盤軸承軸向截面的輪廓線； 2)在步驟I)的基礎上利用轉盤軸承的參數(shù)建立轉盤軸承內圈和外圈的截面，然后將內圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成內圈實體，將外圈截面繞軸承軸線旋轉掃掠360°生成外圈實體。
全文摘要
利用有限元建模判斷轉盤軸承是否滿足要求的方法，根據(jù)轉盤軸承的結構參數(shù)在ANSYS軟件中建立轉盤軸承的模型，在轉盤軸承模型外圈下端面上施加全自由度約束，在內圈上施加徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩載荷，求解得出滾動體的載荷數(shù)據(jù)，利用最大的滾動體載荷數(shù)據(jù)計算出該軸承的安全系數(shù)，并判斷其是否滿足要求。本發(fā)明利用有限元分析軟件ANSYS建立轉盤軸承的“桿-實體”混合有限元模型，省去了實體滾動體與實體滾道之間接觸模型，該有限元模型顯著降低了對計算機資源的要求，將計算時間大大縮短。
文檔編號G06F17/50GK103116672SQ20131003547
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權日2013年1月30日
發(fā)明者李云峰 申請人:河南科技大學