高速角接触球轴承热-结构疲劳寿命数值模拟技术研究

摘要

高速精密角接触球轴承广泛应用于高速精密机床主轴及其它高速转子，它能同时承受径向和轴向负荷的联合作用，是高速转子失效的主要原因之一。轴承的疲劳寿命是轴承质量的综合反映。预测轴承的疲劳寿命、防止轴承突然失效，对预防高速转子事故发生有着非常重要的意义。但由于轴承工作状况比较复杂，轴承试验较难精确模拟，而且实验时间很长，取得实验数据慢，为了解决以上存在的问题，本文以角接触球轴承为研究对象，对角接触球轴承在不同工况下的接触特性、生热与载荷耦合作用下轴承的应力和变形情况以及轴承在综合因素影响下的寿命数值模拟技术进行了研究。主要内容如下： ⑴基于对轴承的Hertz接触理论和热－结构耦合分析理论，应用有限元法建立了角接触球轴承热－结构耦合分析模型，综合考虑载荷、轴承工作温度、轴承转速和材料等因素的影响，对角接触球轴承进行热－结构耦合有限元分析，得到疲劳寿命数值模拟所需的应力结果，利用轴承经典接触参数计算方法对分析结果进行了初步验证，确保有限元模型与分析计算得到的轴承接触应力的合理性。 ⑵在疲劳寿命数值模拟方面，本文综合考虑轴承转速、预紧力、轴承工作温度、表面粗糙度和热处理方法等因素的影响，采用名义应力全寿命方法对角接触球轴承进行疲劳寿命数值模拟计算，借助MSC.Fatigue专业疲劳有限元分析软件对轴承进行了基于热－结构耦合的疲劳寿命有限元分析，计算结果与L-P理论寿命结果进行了对比，并分析了两者之间的差异；最后还对各因素对轴承疲劳寿命的影响规律进行了分析，提出了提高轴承寿命的技术措施。 ⑶通过上述内容的研究，发现了影响轴承寿命的因素主要有载荷、轴承工作温度、表面粗糙度、轴承转速和材料，综合以上影响因素采用S-N全寿命分析方法借助MSC.Fatigue专业疲劳软件对角接触球轴承疲劳寿命进行了数值模拟。分析结果表明，这种基于热－结构耦合分析得出的角接触球轴承疲劳寿命模拟方法可以很好地模拟轴承复杂的工作状况，预测寿命结果可信度高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1疲劳研究的国内外现状与发展

1.2本文研究的目的和意义

1.3本文研究的对象

1.4本文研究的内容

第二章轴承疲劳寿命基本理论

2.1 Mienr法则

2.2疲劳寿命的计算模型

2.3疲劳寿命的分析方法

2.3.1名义应力法

2.3.2局部应力应变法

2.3.3损伤容限法

2.4滚动轴承疲劳寿命的影响因素

2.5本章小结

第三章轴承热-结构耦合应力分析

3.1轴承的热-结构耦合分析理论

3.1.1 Hertz接触理论

3.1.2传热与接触耦合有限元基本理论

3.2基于ANSYS的热-结构耦合分析

3.2.1热-结构耦合分析简介

3.2.2热-结构耦合分析具体步骤

3.3角接触球轴承热平衡分析

3.3.1角接触球轴承生热的计算

3.3.2轴承热传导和辐射的计算

3.4角接触球轴承的温度场仿真

3.4.1建立有限元模型

3.4.2定义热导率

3.4.3边界条件的确定

3.4.4温度场仿真结果分析

3.5角接触球轴承的热-结构耦合应力分析

3.5.1 ANSYS热-结构分析过程

3.5.2角接触球轴承热-结构有限元分析具体实现

3.6结果分析

3.6.1预紧力与热-结构耦合应力和变形的关系

3.6.2轴承转速与热-结构应力和变形的关系

3.6.3轴承工作温度与热-结构耦合应力和变形的关系

3.6.4材料对热-结构耦合应力和变形产生的影响

3.7本章小结

第四章角接触球轴承疲劳寿命的有限元分析

4.1基于MSC.Fatigue的疲劳分析

4.1.1 MSC.Fatigue的简介

4.1.2主要功能

4.1.3疲劳寿命分析的一般步骤

4.2疲劳寿命有限元计算的实现

4.2.1轴承热-结构耦合应力的导入

4.2.2疲劳一般参数设置

4.2.3解题参数设置

4.2.4材料S-N曲线的建立

4.2.5疲劳载荷谱的建立

4.3疲劳结果分析

4.3.1有限元疲劳寿命结果分析

4.3.2疲劳因素影响规律分析

4.3.3结果误差分析

4.4提高角接触球轴承寿命措施

4.5滚动轴承疲劳寿命强化试验技术简介

4.6本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢