高温滚动轴承参数化建模与有限元分析

高温滚动轴承参数化建模与有限元分析

轴承是机械中不可或缺的部件。随着发动机技术的发展,高温轴承的可靠性越来越重要。然而在高温环境中,轴承的变形和材料的线膨胀系数将导致轴承的游隙变化。游隙对轴承的负荷分布、振动、噪声和使用寿命等都有很大影响;因此,对高温滚动轴承进行热变形分析显得尤为重要。目前,在轴承的有限元分析中,一般都采用基于GUI的人机交互模式。该模式在对不同类型的轴承进行建模和分析时,需要不断地对模型尺寸进行修改、分析和比较,不可避免地会产生系统误差和人为差错。虽然ANSYS自身带有参数化设计语言APDL,但完全用APDL编写的宏仍存在不足。以6206轴承在高温场中的热变形分析为例,利用VB对ANSYS进行封装,使用APDL语言编写了其热-结构耦合分析的命令流文件,采用VB语言设计了方便的参数输入界面,并自动调用ANSYS,完成建模、分析全过程,最后将图形和数据结果显示在界面上。1ansys.log-o-p应用程序简介VB开发ANSYS的基本原理是用户通过界面输入的轴承参数和温度参数经过VB传输到事先采用APDL编写好的命令流中进行数据关联,然后启动ANSYS应用程序进行分析,最后提取分析结果并显示到界面上。其程序流程图见图1。由于轴承已经形成系列,笔者利用Access建立了常用滚动轴承的基本尺寸数据库。这样用户只需输入轴承代号,点击“查询”按钮,相应的尺寸就会显示在界面上。基于ANSYS的高温滚动轴承热分析的二次开发,需要进行以下几个步骤:1)通过GUI的方式得到一个高温滚动轴承热分析的命令流文件,然后用APDL语言对其进行适当的修改,用变量名代替参数值,最后命名为ansys.log文件。2)利用VB创建参数化设计分析界面,通过VB把参数值传输到文件input.log中,然后把上一步得到的ansys.log文件中的数据追加到input.log中进行数据关联。3)通过VB启动ANSYS应用程序,ANSYS自动完成前处理、建模、网格划分、求解以及后处理等流程,最后将分析流程和结果全部输出到output.log文件中。4)提取并显示分析结果。通过编写APDL命令流将ANSYS的分析结果,如温度等值线图、位移等值线图、节点的温度和位移等以某种格式保存在同一工作目录下某种类型的文件中,通过特定的VB代码将它们显示在用户界面上。这样,用户就可以直接从界面上看到他所关心的结果,比如内外圈滚道的温度、位移等。2系统完成2.1dde表达参数OpenApp.Path&″\input.log″ForOutputAs#1Print#1,″d=″;Textd.TextPrint#1,″dd=″;Textdd.TextPrint#1,″d1=″;Textd1.TextPrint#1,″dd1=″;Textdd1.TextPrint#1,″B=″;Textb.TextPrint#1,″Db=″;TextDb.TextPrint#1,″TSUR=″;Texttsur.TextPrint#1,″TOUT=″;Texttout.Text参数解释:d为轴承内径,dd为轴承外径,d1为内圈平均外径,dd1为外圈平均内径,B为轴承宽度,TSUR为环境温度,TOUT为外圈外表面温度。参数名的后面对应的分别为VB界面上的文本框属性。2.2命令流的程序处理在一些VB二次开发ANSYS的文献中,通常都采用一次性读的方式,笔者经过多次试验,发现对比较大的文件,即字节数较多的文件这种方法不适用。由于滚动轴承高温场中热-结构耦合分析的命令流文件较大,程序采用一行一行读的方式,具体程序如下:ansysline=Space(LOF(2))Get#1,,ansyslineDoWhileNotEOF(2)LineInput#2,ansyslinePrint#1,ansyslineLoopClose2.3分析的结果是提取并显示1温度等值线图滚动轴承在高温场中的温度场比较复杂,而ANSYS分析得到的温度等值线图能很清晰的反映出滚动轴承在高温场中工作时整个轴承的温度分布,所以用APDL语言得到温度等值线图,再用VB加载它并显示在窗口中。在ANSYS命令流文件中添加以下命令:/POST1SET,LAST/SHOW,JPEGJPEG,COLOR,2JPEG,QUAL,75PLNSOL,TEMP,0,1.0/SHOW,close再在VB的显示温度分布图的窗口中添加如下代码:2生成外滚道与滚动点温度在滚动轴承高温场中的热-结构耦合分析中,内圈内表面和外圈外表面的温度为已知的边界条件,人们比较关心的是加上高温场之后,轴承的内外滚道与滚动体接触处的温度以及滚动体的平均温度,通过编写APDL命令流可以提取这几处的温度值,然后将它们写入一个结果文件中,最后显示到VB界面上。程序实现如下:在ANSYS命令流文件中添加以下命令:ALLSEL,ALL*GET,TG,NODE,1,TEMP/DELETE,tg,txt*CFOPEN,tg,txt*VWRITE,TG(F6.1)*CFCLOS命令流*GET,TG,NODE,1,TEMP一行中的1为外滚道与滚动体接触点的节点编号。tg.txt就是保存了此节点温度的结果文件。在VB主界面上添加一个Command控件和一个Text控件,再在Command控件中添加如下代码:OpenApp.Path&″ g.txt″ForInputAs#4Dimstr2AsStringDimMyresAsStringDoWhileNotEOF(4)LineInput#4,Myresstr2=str2+MyresLoopTexttg.Text=str2Close#4这样,界面上就可显示外滚道与滚动体接触点的温度。同理,可显示内滚道与滚动体接触点的温度以及滚动体的平均温度。3加以分析方法在整个轴承温度场分析的基础上分别对轴承内外圈的热变形加以分析,其原理、步骤和方法与温度场分析完全一样。提取并显示位移等值线图和节点位移的方法跟提取并显示温度等值线图和节点温度的方法类似,只需在关键词上作些修改。3扩大轴承外滚道的轴向位移和合位移图2和图3为基于系统的计算结果。图2是环境温度100—600℃下的滚动轴承内外滚道的径向位移柱状图。比较可以看出,内圈滚道的径向位移与外圈滚道的径向位移方向相反。相比其绝对值,前者远远大于后者,这是因为内圈滚道的温度远远大于外圈滚道的温度。图3(a)—图3(b)分别为环境温度100—600℃下的轴承外滚道的轴向位移和合位移沿滚道周向的变化曲线。图3中,横坐标分别为外圈滚道上的节点编号(内圈以逆时针方向为X轴正方向,外圈以顺时针方向为X轴正方向)。由图3可以看出,环境温度越高,外滚道的轴向位移绝对值越大,且以滚道最低点为中心对称。同样,环境温度越高,外滚道的合位移也越大,且以滚道最低点对称。内滚道的轴向位移和合位移沿滚道周向的变化曲线及其变形规律与外滚道的类似。4轴承热分析系统的应用a.以VB为平台,利用ANSYS自带的APDL语言对其进行二次开发,结果证明开发的高温滚动轴承参数化建模与有限元分析系统是可行的。该系统可在实