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 (前处理器)
—Meshing (网格)一Mesh (划分网格)一Lines (线)，然后弹出“Mesh Line”对话框,用鼠标逐一选中每一根代表每一个滚动体的线段，点击“0K”按钮进行网格划分，如附图4所示；
5)在步骤4)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、在内圈的内径圆柱面上施加径向载荷；
首先，对转盘轴承模型的外圈下端面施加所有自由度的约束；
具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu(主菜单)一Solution(求解)—Define Loads (定义载荷)—Apply (加载)—Structural (结构)—Displacement(位移)一On Areas (在面上)”,然后弹出“Apply U, ROT on Areas”对话框,用鼠标选中轴承外圈的下底面，点击“0K”按钮，弹出“Apply U, ROT on Areas”对话框，在对话框中设置“ALL D0F”，再点击“0K”按钮，对轴承的外圈下端面施加所有自由度的约束(包括沿着X、Y、Z坐标轴的平移自由度和绕着X、Y、Z坐标轴的旋转自由度)，如附图5所示；
其次，在轴承的内圈上分别施加轴向载荷、倾覆力矩载荷以及在在内圈的内径圆柱面上施加径向载荷；
具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu(主菜单)一Solution(求解)—Define Loads (定义载荷)—Apply (加载)—Structural (结构)—Pressure (压力)一On Areas (在面上)”,然后弹出“Apply PRES on Areas”对话框,用鼠标选中轴承内圈的上端面，点击“0K”按钮，弹出“Apply PRES on Areas”对话框，在对话框中设置“LoadPRES value”的数值，再点击“0K”按钮，完成轴承的轴向加载。按照此方法，用鼠标选中轴承内圈的内圆柱面，完成轴承的径向加载；
在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)一Solution (求解)一DefineLoads (定义载荷)一Apply (加载)一Structural (结构)一Force/Moment (力 / 力矩)
—On Nodes (在节点上)”，然后弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，用鼠标选中轴承内圈的上端面，点击“0K”按钮，弹出“Apply F/M on Nodes”对话框，在对话框中设置载荷的方向和数值，再点击“0K”按钮。按照同样的方法，在轴承内圈的上端面与此载荷相对应的径向位置施加一个大小相等且方向相反的载荷，实现轴承的力矩加载，如附图5所示；
6)对所建立的转盘轴承模型在步骤5)的受力条件下进行求解，得到转盘轴承的所有滚动体的载荷数据；
具体操作如下:在ANSYS软件的界面中，通过操作“Main Menu (主菜单)一Solution(求解)一Solve (求解)一Current LS (求解当前载荷步)”,点击“0K”按钮进行有限元模型的求解；
在ANSYS求解完成后,在界面中通过操作“Main Menu(主菜单)一GeneralPostproc (通用后处理器)一List Results (列表显示结果)一Nodal Loads (节点载荷)”,弹出“ListNodal Loads”对话框，在对话框中选中“All items”，点击“OK”按钮进行求解结果的输出；
7)利用滚动体受到的最大载荷数据进行轴承的安全系数计算
通过对有限元模型的求解计算，得到所有的滚动体载荷数据，利用这些数据可以进行轴承的安全系数计算。附图6所示为利用本发明方法计算出的转盘轴承的滚动体载荷分布，从图中数据可以得到最大滚动体载荷Qmax，根据公式。_=190.6.(Qfflax.Σ P/lw)°_5可以计算得到滚动体与滚道之间的最大接触应力σ_。给定转盘轴承材料的许用接触应力[ο max]=4000MPa，再利用公式fs=([ σ max]/o max)2可以计算得到算每排滚道的安全系数。所述公式中各项参数符号表示的含义如下:
ΣP-主曲率和函数
Iw—滚子长度
本发明方法与传统解析法的计算结果分别如附图7和附图8所示；
由附图7和附图8可以得出，利用本发明提供的方法计算出的结果与传统解析法计算出的结果十分接近，这说明本发明所建立的简化的转盘轴承有限元模型是合理的。根据本发明方法的计算结果，轴承的安全系数为表I中安全系数中的最小值:16.661，以此系数作为轴承选型和设计是否满足要求的判断依据:此轴承安全系数远大于主机所要求的2.5，能够满足主机要求，且较为富余，即该转盘轴承满足要求。
权利要求
1.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； 其特征在于:所述建立转盘轴承的模型的包括如下步骤: 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。
2.根据权利要求1所述的利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法，其特征在于:所述转盘轴承模型内圈实体和外圈实体，其建立包括以下步骤: 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； 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。
全文摘要
利用有限元建模判断转盘轴承是否满足要求的方法，根据转盘轴承的结构参数在ANSYS软件中建立转盘轴承的模型，在转盘轴承模型外圈下端面上施加全自由度约束，在内圈上施加径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩载荷，求解得出滚动体的载荷数据，利用最大的滚动体载荷数据计算出该轴承的安全系数，并判断其是否满足要求。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。
文档编号G06F17/50GK103116672SQ20131003547
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者李云峰 申请人:河南科技大学