四列短圆柱滚子轴承接触压力三维分布的测试研究

多列滚动轴承接触压力三维分布的解析与实验研究在轴承行业领域是急待解决的课题,对轴承的结构设计与寿命预测具有重要意义.作者用针销法和多通道同时测定动态测试装置测出了四列短圆柱滚子轴承接触压力三维分布,为多列滚动轴承接触压力三维分布的实测提供了新方法,还为验证各种数值解析法及其程序的可行性给出判据.     

滚动体几何相似条件在轴承边界元法中的应用

滚动轴承作为多物体接触系统,具有高度的非线性。为了求解滚动轴承的三维载荷分布,考虑所有滚动体的形状和边界条件相同,利用几何相似条件通过初始位置滚动体的离散模型,得到其他滚动体的离散数据。将所有滚动体看作是一个物体,轴承系统可以用3个物体无摩擦接触边界元法进行模拟计算。考虑全部滚动体作为一个整体的特殊性,叙述了边界积分方程和耦合的矩阵方程的建立,编制了基于滚动体几何相似条件的轴承边界元法Fortran源程序。利用该程序对轧机四列圆锥滚子轴承进行数值模拟,得到轴承的接触压力和载荷,滚动体接触宽度和接触滚动体个数,并说明了方法的有效性。     

一种基于极小化极大接触压力的交界面修形新方法

针对轴承和齿轮等零部件接触压力分布不均问题,提出了一种极小化极大接触压力的弹性交界面修形新方法,仅需要一次结构分析就可以实现理想的修形结果。基于弹性接触理论与有限元法,推导建立了接触节点修形量与接触压力之间的数学方程;以极小化各接触节点的最大接触压力为目标,建立了计算修形量的极小极大模型;并利用最优化方法将其转化为线性规划问题,有效提高了求解的全局收敛性和计算效率。通过两个弹性接触修形实例,验证了新方法对一般弹性接触修形问题的适用性和高效性。     

基于轴承边界元法的轧机圆锥滚子轴承的载荷研究

采用边界元法对高度非线性的滚动轴承接触问题进行了研究。利用轴承边界单元模拟轴承接触单元,采用赫兹接触理论对滚动体与轴承内外圈的接触宽度进行修正;根据轧机圆锥滚子轴承安装配合时轴承内圈与轧辊、轴承外圈与轴承座均采用松配合的特点,在多物体有摩擦弹性接触的边界元法基础上,编制了四物体有摩擦弹性接触的专用轴承边界元法计算程序;并对轧机四列圆锥滚子轴承进行了数值分析,验证了算法的可行性和有效性。结果表明:四列滚动体上圆锥滚子小端受较大的压力,且滚动体端部压力远大于中部压力;滚动体承受的轴向压力与四列圆锥轴承的锥度分布一致,最大应力出现在第一列滚动体靠近辊身侧的位置;各个滚动体的接触宽度与滚动体上承受的径向载荷分布规律一致,非轴承接触面所受载荷的分布与承受载荷的滚动体的位置相对应。     

求解三维弹性力学问题的快速耦合方法

将多种数值方法耦合,充分利用各种方法的优点建立新的数值方法,是求解三维复杂问题的有效途径之一．本文将无单元Galerkin (Element-Free Galerkin, EFG)方法、有限元法和维数分裂法耦合,提出了求解三维弹性力学问题的快速耦合方法(Fast Hybrid Method, FHM)．将三维弹性力学问题分裂为若干个二维平面问题,对于每个二维问题采用罚函数法施加边界条件,并推导其相应的积分弱形式,引入Shepard基函数的移动最小二乘法建立形函数,进而推导二维平面问题的离散方程．第三个方向上采用有限元法将这些二维离散方程进行耦合,可以得到原三维弹性力学问题的快速耦合方法数值解的求解公式．通过数值算例验证了本文快速耦合方法求解三维弹性力学问题的收敛性,将数值解与解析解对比,说明了本文方法求解三维弹性力学问题的有效性．     

双列圆锥滚子轴承滚子大端-引导边润滑接触分析

针对铁路客车中使用的双列圆锥滚子轴承,发展了一个系统的计算模型以模拟滚子大端与引导边间的润滑接触状态.首先通过理论分析确定滚子大端与内圈挡边的接触点位置和滚动体的自转与公转转速,分别得出二者在接触点的滑动速度;然后考虑滚子的离心力,通过求解内圈位移控制方程,计算轴承的载荷分布,并分别求出滚子与外滚道、内滚道以及引导边的作用力;最后建立润滑分析模型,对圆锥滚子大端与引导边的接触进行润滑分析计算,实现滚子大端与引导边接触的润滑模拟,并研究了滚子大端球面半径、工况条件等对润滑性能的影响.     

高速列车轴箱轴承载荷分布测试研究Ⅱ:实验装置及实验研究

为准确测试高速列车轴箱轴承内部滚子和滚道间接触载荷及其分布,本文选择轴承座箱体环向开槽的测试方案对轴箱轴承座进行改造,并搭建了高速列车轴箱轴承载荷分布测试实验装置.采用基于应变检测的轴承载荷分布测试方法,实测得到了宏观外部载荷在双列圆锥滚子轴承中的载荷分配,确定了单列轴承承受的外加载荷由3个滚动体分配并传递.动态测试结...     

油膜轴承负荷特性的数值解析

轧机油膜轴承频繁出现巴氏合金剥落、龟裂等现象，直接影响到油膜轴承的使用寿命和轧制生产的正常进行，应用三维弹性接触问题的边界元法对宝钢2050支承辊油膜轴承载荷分布进行分析研究，建立了油膜轴承的接触模型，模拟真实的约束与受力，结果轴承出现严重偏载现象，通过改善约束条件，在自位情况下轴承偏载现象大幅度降低，同时接触应力也在一定程度上减小，从而使得轴承的承载能力得到提高，由于考虑了弹性变形的影响，该方法具有计算精度高，收敛速度快等优点。     

三维弹性问题高次有限元方程的代数多层网格法

有限元法是数值求解三维弹性问题的一类重要的离散化方法,高次有限元又是其中的一类常用有限元。由于高次元对问题具有更好的逼近效果及具有某些特殊的优点,如能解决弹性问题的闭锁现象(Poisson’s ratio locking),使得它们在实际计算中被广泛使用。但与线性元相比,它具有更高的计算复杂性。通过分析高次有限元空间与线性有限元空间之间的关系,提出了一种求解三维弹性问题高次有限元方程的两水平方法,然后,通过调用现有的代数多层网格法求解粗水平方程,建立了求解高次有限元方程的AMG法。数值实验表明,本文设计的AMG法对求解三维弹性问题高次有限元方程具有很好的计算效率和鲁棒性。     

边界面法分析三维实体线弹性问题

本文利用以边界积分方程为理论基础的边界面法分析三维实体的线弹性问题。在该方法中,边界积分和场变量插值都是在实体边界曲面的参数空间里进行。积分点的几何数据,如坐标、雅可比、外法向量都是直接由曲面算得,而不是通过单元插值近似,从而避免了几何误差。另外,该方法的实现是直接基于CAD模型中的边界表征数据结构,可以做到与CAD系统无缝集成。在分析中,避免对结构作几何上的简化,结构的所有局部细节都按照实际形状尺寸作为三维实体处理。应用实例表明,本文方法可以简单有效地模拟具有细小特征的复杂结构,可以直接基于三维弹性理论求解薄型壳体结构,可以获得比有限元法更精确的计算结果。     

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法, 绝对节点坐标法(absolute nodal coordinateformulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标, 具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点, 然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源. 据此, 在弹性力求解方法中,引入弹性线方法(elastic line method, ELM),该方法将格林--拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变, 转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程, 通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法(continuum mechanics method,CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点, 并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.      

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势, ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标,具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点,然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源.据此,在弹性力求解方法中,引入弹性线方法 (elastic line method, ELM),该方法将格林–拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变,转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程,通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法 (continuum mechanics method, CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点,并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.     

圆锥滚子轴承润滑与动力学耦合研究

为准确分析圆锥滚子轴承润滑和动力学耦合性能,建立了基于油膜刚度与阻尼的圆锥滚子轴承动力学耦合方程,并对方程进行了验证和数值求解. 数值结果表明:与不考虑润滑相比,考虑润滑后轴承内圈轴向运动更加稳定,轴向位移变小;在不同的滚子端面球半径和挡边倾角下,润滑效应能够使内圈径向振动加速度级减小1.71到2.07 dB;同时滚子个数的增加会使轴承内圈滚道和内圈挡边的平均最小油膜厚度分别增加7.97%和4.43%.      

具有可变均压槽的气体静压推力轴承性能研究

具有可变均压槽的气体静压推力轴承,是作者提出的一种新结构轴承.本文建立了这种新结构轴承的性能计算方法,用有限差分法耦合求解气体静压推力轴承的雷诺方程和弹性薄片的变形控制方程,得到轴承的各项性能参数,并通过试验加以对比验证,计算结果与试验具有较好的一致性.结果表明该新型气体静压推力轴承的设计方案能够提高轴承的刚度.     

有限长滚子黏滑接触分析

有限长线接触在齿轮传动与滚子轴承中广泛存在,滚子端部的应力集中严重影响机械零件的疲劳寿命. 本文中基于矩阵法和重叠半空间模型方法建立了有限长滚子黏滑接触的数值计算模型,利用共轭梯度法和快速傅里叶变换方法对模型进行了求解;并且分析了滚子自由端面和不同切向力对滚子黏滑接触的影响. 结果表明:当两有限长滚子的自由端面完全重合时,切应力在端面不会出现应力集中现象,端面的黏着区域相比于中间截面的黏着区会缩小. 此外,随着切向力的增大,端面黏滑区域的切应力增大.      

两个新型的八结点块体单元—三维离散算子差分法

给出了弹性力学三维问题的离散算子差分法 ,讨论离散算子差分法在三维问题中的特点 ,意在为该方法的进一步发展提供依据 ,为应用弱形式进行数值求解的研究提供参考。本文从弹性力学平衡方程更为一般的弱形式出发 ,给出了含边界参数的弱形式方程。由该方程不仅可以得到有限元法 ,还可得到离散算子差分法。给出了两个八结点块体单元 ,虽然单元中位移函数是非协调的 ,不需特殊处理便可保证离散格式收敛 ,并对单元位移有十分好的反映能力。     

对数凸型滚针凸度量设计的新方法

本文利用三维有限长弹性接触问题的数值解法分析了实体套圈滚针轴承中的越程槽结构因素对对数凸型滚针接触压力分布的影响。结果表明,套圈上的越程槽宽度是确定滚针最佳凸度量时应考虑的一个重要因素。据此给出了对数凸型滚针凸度量设计的新方法。该方法可用于各种结构形式滚针轴承的滚针凸度量设计。     

预紧方式对弹流润滑下角接触球轴承内部力学特性的影响

油膜厚度预测在评估弹流润滑(EHL)下角接触球轴承的性能和耐久性方面发挥着重要的作用. 耦合拟静力学理论和自旋下椭圆接触弹流模型,以干接触角接触球轴承拟静力学分析方法为基础,建立了定压和定位预紧方式下考虑弹流润滑和钢球自旋运动的角接触球轴承的拟静力学分析模型. 采用快速傅里叶变换(FFT)计算椭圆接触的弹性变形,运用Gauss-Seidel迭代方法求解Reynolds方程,得到自旋弹流模型的完全数值解,将其代入轴承拟静力学模型中迭代,得到轴承内部接触载荷、三维接触压力及三维膜厚分布. 对采用不同预紧方式的SKF7210型角接触球轴承进行分析,结果表明:富油润滑下,当轴承转速从0增大到15 000 r/min时,定压预紧时内圈轴向位移减小17.83%,而定位预紧时内圈承受的轴向载荷增大23.17%;定压预紧方式下球与内外滚道间膜厚均略大于定位预紧. 此外,不同预紧方式下,外圈上的中心膜厚大于内圈10%. 与干接触相比,定压下考虑弹流润滑内圈上接触载荷略大0.64%.      

算子自定义小波弹性板单元构造及自适应分析

提出一类用于分析弹性板问题的算子自定义小波弹性板单元构造方法。该方法的优点在于根据工程问题的求解需要灵活构造具有解耦特性的算子自定义小波基,使得系统多尺度刚阵具有沿对角线的强稀疏性,从而实现了该算法在每个尺度上独立、快速求解,系统方程的求解效率得到较大提高。建立多分辨Lagrange有限元空间和多尺度计算理论,提出基于稳定完备法的算子自定义小波弹性板单元构造方法及解耦条件。依据两尺度相对误差估计,提出自适应算子自定义小波有限元算法。数值算例证明,算子自定义小波弹性板单元具有求解精度与计算效率高等特点。     

求解弹性力学问题的有理单元法

传统的位移有限元法采用多项式形式的位移试函数,对于边数大于4的多边形单元,构造满足单元间协调性要求的多项式形式位移插值函数是一件困难的工作。本文利用逆距离权插值的思想并考虑到单元节点的分布,建立了边数大于4多边形单元上的有理函数形式的形函数。利用有理试函数,采用Galerkin法推导出求解平面弹性力学问题的有理单元法。采用有理单元法求解弹性力学问题,求解区域根据需要可以划分为任意多边形单元,极大地提高了网格划分的灵活性。有理单元法不依赖等参变换,不同单元的形函数表达形式统一,方便计算程序的编写。