一種高速鐵路軸承動力學分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種高速鐵路軸承動力學分析方法，首先采用PRO/ENGINEER軟件建立軸承裝配體三維幾何模型，并進行干涉檢查；然后通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的接口，將模型導入ANSYS中進行有限元模型建立；其次施加邊界約束條件并定義接觸；接著根據實際工況，施加載荷；然后調用非線性顯示動力學求解器ANSYS/LS-DYNA進行多體動力學分析；最后根據分析結果，評價軸承性能。采用本發明方法能夠快速有效檢驗軸承工作性能、評價軸承結構參數、指導結構優化設計。
【專利說明】一種高速鐵路軸承動力學分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及軸承設計方法領域，具體為一種高速鐵路軸承動力學分析方法。
【背景技術】
[0002]高速是我國鐵路客運發展的主要方向，隨著鐵路運行的不斷提速，性能良好的高速軸承將大量應用。提高軸承的性能與壽命，對提高整車的動力性，安全性和操縱穩定性起著至關重要的作用，因此分析軸承運轉過程中各部件速度，加速度和位移量、應力的變化和分布情況，根據受力情況判斷易發生疲勞破壞和失穩的部位而指導設計過程，優化結構參數就顯得尤為重要。軸承的結構比較簡單，但運動過程中零件之間的碰撞十分的復雜，再加上潤滑油的影響，使得軸承的動力學分析十分復雜，由此建立的非線性方程組的求解也很困難。傳統的實驗方法，周期長，成本高，導致設計反饋周期長，而現代有限元技術為仿真模型的建立提供了強有力的工具和手段，通過在計算機上建立離散的有限元模型，快速、直觀地模擬機構的動力學效應。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種高速鐵路軸承動力學分析方法，以解決現有技術存在的問題。
[0004]為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為:
一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:包括以下步驟:
(1)三維幾何建模:在計算機中用PRO/ENGINEER對軸承中的零件軸承內外圈、保持架、滾子、中隔圈進行幾何建模，并按各個零件間的連接關系，在PRO/ENGINEER中將各個零件的三維幾何模型裝配成軸承三維幾何模型，軸承三維幾何模型建模完成后導入PRO/MECHANISM中進行干涉檢查；
(2)有限元模型的建立:
在計算機中通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導入ANSYS中，設置材料屬性，采用不同的網格劃分方式對軸承三維幾何模型中各個零件進行網格劃分，從而建立出軸承的有限元模型；
(3)在ANSYS中施加邊界約束:
軸承外圈與固定軸承座固聯，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉動，軸承內圈與軸聯接，限制其繞X、Y軸的轉動，將軸承內圈表面定義為SHELL163單元，零件之間接觸設置為ASTS，自動面面接觸；
(4)載荷施加:
根據不同工況，使用ANSYS中加載模塊，在計算機中向軸承三維幾何模型施加轉速、軸向力以及徑向力；
(5)運動學分析:
完成步驟(2)至(4)后，調用ANSYS中非線性顯示動力學求解器LS-DYNA進行多體動力學分析，輸出軸承各零件的參數，所述參數包括應力、應變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動；
(6)分析評價:
根據步驟(5)得到的結果參數，對軸承保持架振動、滾子軸向應力分布、以及內外圈應力分布、變形位移進行分析，若保持架振動過大、滾子邊界應力集中嚴重、內外圈應力過大、變形過大，則對結構進行適當的優化。
[0005]所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:步驟(2)中有限元模型包括軸承內外圈、滾子、保持架中隔圈模型，在對軸承進行網格劃分時，要保證重要邊角處有足夠的網格精度。
[0006]所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:軸承外圈外表面和內圈內表面定義為殼單元，并采用MAPPED方式進行網格劃分，其它部位和其他零件定義為體單元，采用SWEEP方式進行網格劃分。
[0007]所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:采用非線性顯示動力學求解器LS-DYNA進行多體動力學分析，為便于施加轉速和載荷將內圈表面定義為SHELL163剛性殼體單元。
[0008]本發明方法運用PRO/ENGINEER和ANSYS軟件技術對軸承進行動力學分析，能夠快速實現不同結構類型軸承的三維造型，快速仿真得到軸承動力學性能參數，進而對軸承的結構參數進行合理的評價，并以此指導軸承結構的改進與優化。實踐表明，該方法對于軸承性能評價、指導結構優化設計是快速有效的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為【具體實施方式】中雙列圓錐滾子軸承三維幾何模型示意圖。
[0010]圖2為【具體實施方式】中軸承有限元模型示意圖。
[0011]圖3為【具體實施方式】中滾子曲線圖，其中圖3a為滾子中心點與滾子邊緣上點的速度曲線圖，圖3b為滾子中心點與滾子邊緣上點的加速度曲線圖。
[0012]圖4為【具體實施方式】中內圈溝道的應力變化曲線。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本申請方法作進一步說明:
1、三維幾何模型建立
本例采用PRO/ENGINEER軟件建模。在PRO/ENGINEER中建立42滾子雙列圓錐滾子軸承零件幾何模型，零件包括軸承內外圈、保持架、滾子，中隔圈，并對滾子進行母線修型。按照零件間連接關系，在PRO/ENGINEER中裝配成軸承三維幾何模型，將軸承三維幾何模型完成后導入PRO/MECHANISM模塊中，進行干涉檢查，避免出現零件干涉，三維幾何模型見附圖1o
[0014]2、軸承有限元模型建立
通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導入ANSYS中進行材料定義，建立有限元模型。本例選用SOLID 164和SHELL 163兩種單元類型，定義如下:外圈外表面采用SHELL163單元，實常數為1，采用Quad Free方式劃分網格；外圈采用SOLID 164單元，采用SWEEP劃分網格；內圈采用SOLID 164單元，采用SWEEP劃分網格；保持架采用SOLID 164單元，采用四面體自由方式劃分網格；滾子采用SOLID 164單元，采用SWEEP方式劃分網格；內圈內表面采用SHELL 163單元，實常數為1，采用QuadFree方式劃分。
[0015]3、邊界約束施加
軸承外圈與固定軸承座聯接，約束全部自由度，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉動，內圈與軸聯接，約束X、Y旋轉自由度，限制其繞X、Y軸的轉動。在ANSYS/LS-DYNA中，S0LID164單元不具有旋轉自由度，故將軸承內圈表面定義為SHELL163單元，以便于施加轉速和載荷。
[0016]接觸設置為ASTS,自動面面接觸,面面接觸建立于部件之間，即component。建立方式,42個滾子表面節點創建為contact component,內圈溝道表面、外圈溝道表面、保持架3?孔面創建為target component,共創建126個接觸對。軸承有限元模型見附圖2。
[0017]4、載荷施加
轉速以及載荷施加在由shelll63單元構成的內圈內表剛性面上，結合實際制定如下兩種工況:
工況一:對應于列車在直道上行駛，只受到由于重力引起的徑向載荷7.5噸，軸承轉速為 2140r/min ；
工況二:對應于列車以最小轉彎半徑轉向，除徑向載荷外，軸向承受載荷3.75噸。
[0018]5、動力學分析
調用非線性顯示動力學求解器ANSYS/LS`-DYNA進行多體動力學分析，輸出軸承各零件的應力、應變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動參數。分析結果見附圖3、4。
[0019]6、結果分析
鑒于動力學分析結果可得出:在正常行駛工況和最小轉彎半徑工況，軸承的承載出現了偏載情況，由于滾子端部的對數曲線修型，未出現顯著的應力集中；軸承在轉彎的過程中會出現偏載，極端情況為僅有一列滾子受載；軸承整體的應力水平不高，而且振動較小，均滿足使用壽命設計要求。
[0020]該方法運用PRO/ENGINEER和ANSYS軟件技術對軸承進行動力學分析，能夠快速實現不同結構類型軸承的三維造型，快速仿真得到軸承動力學性能參數，進而對軸承的結構參數以及工作性能進行合理的評價，并以此指導軸承結構的改進與優化。實踐表明，該方法對于檢驗軸承工作性能、評價軸承結構參數、指導結構優化設計是快速有效的。
【權利要求】
1.一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)三維幾何建模:在計算機中用PRO/ENGINEER對軸承中的零件軸承內外圈、保持架、滾子、中隔圈進行幾何建模，并按各個零件間的連接關系，在PRO/ENGINEER中將各個零件的三維幾何模型裝配成軸承三維幾何模型，軸承三維幾何模型建模完成后導入PRO/MECHANISM中進行干涉檢查； (2)有限元模型的建立: 在計算機中通過PRO/ENGINEER與ANSYS之間的軟件接口，將建立完成的軸承三維幾何模型導入ANSYS中，設置材料屬性，采用不同的網格劃分方式對軸承三維幾何模型中各個零件進行網格劃分，從而建立出軸承的有限元模型； (3)在ANSYS中施加邊界約束: 軸承外圈與固定軸承座固聯，限制其X、Y、Z方向的移動，以及繞X、Y、Z軸的轉動，軸承內圈與軸聯接，限制其繞X、Y軸的轉動，將軸承內圈表面定義為SHELL163單元，零件之間接觸設置為ASTS，自動面面接觸； (4)載荷施加: 根據不同工況，使用ANSYS中加載模塊，向軸承三維幾何模型施加轉速、軸向力以及徑向力載荷； (5)運動學分析: 完成步驟(2)至(4)后，調用ANSYS中非線性顯示動力學求解器LS-DYNA進行多體動力學分析，輸出軸承各零件的參數，所述參數包括應力、應變、各零件的運動速度、加速度以及保持架的位移波動； (6)分析評價: 根據步驟(5)得到的結果參數，對軸承保持架振動、滾子軸向應力分布、以及內外圈應力分布、變形位移進行分析，若保持架振動過大、滾子邊界應力集中嚴重、內外圈應力過大、變形過大，則對結構進行適當的優化。
2.根據權利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:步驟(2)中有限元模型包括軸承內外圈、滾子、保持架、中隔圈模型，在對軸承進行網格劃分時，要保證重要邊角處有足夠的網格精度。
3.根據權利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:軸承外圈外表面和內圈內表面定義為殼單元，并采用MAPPED方式進行網格劃分，其它部位和其他零件定義為體單元，采用SWEEP方式進行網格劃分。
4.根據權利要求1所述的一種高速鐵路軸承動力學分析方法，其特征在于:采用非線性顯示動力學求解器LS-DYNA進行多體動力學分析，為便于施加轉速和載荷將內圈表面定義為SHELL163剛性殼體單元。
【文檔編號】G06F17/50GK103761350SQ201310468130
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】張建軍, 徐娟, 張利, 韓江洪, 關猛 申請人:合肥工業大學