轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端

摘要

本发明属于结构静、动力学分析和有限元仿真技术领域，公开了一种轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端，根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型，且对其进行等效简化；对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；连接轴承和其余部件的有限元模型，施加边界约束；按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；施加激励载荷，设置解算输出项；解算简化后的有限元模型并显示相应结果。本发明提出一种可兼顾分析效率和准确度的轴承有限元简化模型，降低了网格数量，降低了对计算平台的性能要求，也为后续优化提供必要条件。

说明书

技术领域

本发明属于结构静、动力学分析和有限元仿真技术领域，尤其涉及一种轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端。

背景技术

目前：对结构进行静、动力学分析时，通常用经验和实际模型试验作为分析手段，这种方法成本高，分析周期长。现有解决方法为借助CAE软件，如ANSYS、ABAQUS等，进行有限元模型的结构分析，这对于整体结构的优化设计有重大意义。一般来说，有限元模型越复杂，为了保证计算精度所需的时间也就越长，对计算平台的要求就越高。特别是利用结构静、动力学分析结果，进行结构的参数、拓扑优化时，需多次重复调用有限元模型进行分析求解，此时需要更大的计算量。

传统有限元模型中对轴承一般采用实体建模，而轴承结构复杂，自由度多，特别是轴承滚子涉及到了有限元的接触问题，导致此类方法存在计算量大、效率低的缺点。而且在结构静、动力学分析时，若未能处理好滚子接触面的自由度、网格数量巨大、质量差等问题，计算平台就会无法计算或者计算不收敛，导致计算失败。而大型模型中存在大量轴承，若再涉及到结构的优化，那这种缺点就尤为突出。在对模型整体进行结构分析时，一般可忽略轴承实际载荷和变形，故采用何种方法才能在载荷传递路径和自由度与原模型一致的基础上简化轴承，就显得尤为重要。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的轴承有限元建模方法中，滚子和轴承内外圈用实体建模，且处理滚子接触涉及到非线性分析。对结构分析和优化时，传统有限元模型计算量大，效率低，接触问题处理不当更会导致计算不收敛。

解决以上问题及缺陷的难度为：需提出一种轴承有限元模型简化等效方案，面对不同受力情况的轴承采用不同的简化方式，使等效模型载荷传递路径和自由度与原模型一致，并需保证有限元模型计算量下降，效率提高。

解决以上问题及缺陷的意义为：对存在大量轴承的结构进行分析时，本发明在保证有限元模型载荷传递路径和自由度准确度的基础上，通过轴承有限元模型的简化等效，省略掉传统方法的接触分析，同时也降低了有限元整体模型的网格数量，降低了对计算平台的性能要求，提升了对模型进行整体分析的效率，并可有效支撑后续优化设计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端。

本发明是这样实现的，一种轴承有限元模型简化等效方法，所述轴承有限元模型简化等效方法包括：

根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型，并对其进行等效简化。对于符合壳单元建模要求的部分，采用壳单元建模相较于体单元，可以有效降低计算量，提升计算效率。对于不影响结构总体性能的局部特征，对其省略或简化处理亦可以降低计算量；

对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模。利用梁单元模拟轴承内外圈，降低单元数量；利用多点耦合单元模拟内外圈相对转动，忽略滚子与内外圈的接触问题，提升运算效率；

对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模。利用杆单元等效滚子，降低单元数量；滚子对应连接原模型滚子点接触位置，等效轴承内部载荷传递路径；利用杆单元无转动自由度、只受拉压的特性，模拟轴承内外圈相对转动自由度，简化内外圈自由度设置问题；

连接轴承和其余部件的有限元模型，施加边界约束。通过刚性区域模拟轴承与其他部件载荷传递路径，设置简便、快捷；从节点可选择为结构中连接位置接触面上所有节点，载荷传递路径真实且防止应力集中；

按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件。此部分需根据实际工况添加相应的转动约束和固定结构的边界条件，能够尽可能真实的模拟结构实际情况；

施加激励载荷，设置解算输出项；

解算简化后的有限元模型并显示相应结果。

进一步，所述轴承有限元模型简化等效方法的有限元模型通过参数化语言建立，模型多采用壳单元建立，对不满足壳单元等效原则处则采用体单元建模，并依照实际结构赋予各个壳面不同的截面参数，模型中的筋则用梁单元建模，同样赋予不同的梁截面参数；

对于只提供负载，而对刚度没有影响的附加部件则建立为等质量、等体积的壳单元空盒，再通过梁单元连接到有限元模型中；取消模型中螺栓孔、小倒角、小圆角、退刀槽的几何特征。

进一步，所述轴承有限元模型简化等效方法对于只受径向力轴承通过多点耦合单元和梁单元简化建模，在轴承中心处建立一对空间虚拟节点，节点之间利用多点耦合单元约束，释放绕轴承轴向的转动；其中一个节点通过梁单元连接轴承外圈安装面上的一圈节点，另一节点连接轴承内圈安装面的上一圈节点，其梁单元材料属性由轴承试验得出的信息给定。

进一步包括：

1)将多点耦合单元设置为转动关节，即放开内外两圈梁的绕轴转动；

2)若轴承简化模型中内外两圈梁连接的为体单元，在体单元表面再划分一层壳单元，梁-体单元连接处自由度吻合。

进一步，所述轴承有限元模型简化等效方法对于同时受径向力和轴向力角接触球轴承，通过杆单元和体单元简化轴承模型。轴承内、外圈利用体单元建模，滚子则利用杆单元简化建模，模拟滚子与轴承内外圈的角接触，近似实际轴承内部的传力状况；

进一步包括：

1)杆单元和体单元直接连接，利用杆单元无转动自由度，只受拉压的特性，放开轴承内外圈的转动自由度；

2)根据实际轴承中滚子数目、位置和尺寸，在有限元模型相应位置截取截面，并添加滚子的杆单元简化模型；

3)截面上杆单元的具体连接位置参考实际选取轴承中滚子的点接触位置，从而对应连接轴承内外圈。

进一步，所述轴承有限元模型简化等效方法的利用刚性区域连接轴承和其余部件的有限元模型，模拟轴承与结构其余部件的连接；选取轴承安装面上的某节点为主节点，对应轴承轴向上所有节点为从节点，主从节点间为全约束并可传递载荷；

所述轴承有限元模型简化等效方法对模型进行结构分析，则需按照实际模型在相应位置约束对应绕轴转动自由度。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型，建模时对有限元模型进行等效简化；

对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；

对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；

连接轴承和其余部件的有限元模型，施加边界约束；

按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；

施加激励载荷，设置解算输出项；

解算简化后的有限元模型并显示相应结果。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型，建模时对有限元模型进行等效简化；

对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；

对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；

连接轴承和其余部件的有限元模型，施加边界约束；

按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；

施加激励载荷，设置解算输出项；

解算简化后的有限元模型并显示相应结果。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的轴承有限元模型简化等效方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述轴承有限元模型简化等效方法的轴承有限元模型简化等效系统，所述轴承有限元模型简化等效系统包括：

有限元模块构建模块，用于根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型；

受径向力轴承简化建模模块，用于对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；

受轴向力轴承简化建模模块，用于对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；

部件间约束施加模块，用于连接轴承和其余部件的有限元模型，施加必要的边界约束；

约束边界条件模块，用于按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；

解算输出项设置模块，用于施加激励载荷，设置解算输出项；

结果显示模块，用于对简化的有限元模型进行解算并显示相应结果。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

表1传统轴承建模方法与本发明对比

本发明对不同受力情况的轴承采取了不同的简化方式，提出能保证模型载荷传递路径和自由度一致的有限元简化模型。该方法降低了网格数量，降低了对计算平台的性能要求，也为后续优化提供必要条件。

传统有限元模型中对轴承一般采用实体建模，而轴承结构复杂，自由度多，特别是轴承滚子涉及到有限元的接触问题，导致此类方法存在计算量大、效率低的缺点。在对模型整体进行结构分析时，一般可忽略轴承实际载荷和变形，本发明对不同受力情况的轴承采用了不同的简化方式，对于模型中只受径向力的轴承使用梁单元和多点耦合单元建模，对于受轴向力的角接触球轴承采用杆单元和体单元建模。在保证自由度和载荷传递路径与原模型一致的基础上，降低了网格数量，缩短了计算时间，使其易于在普通平台计算，也为后续优化提供必要条件。本发明求得的结构动力学结果与实测结果进行对比，结果表明计算结果可靠，简化方法有效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的轴承有限元模型简化等效方法流程图。

图2是本发明实施例提供的轴承有限元模型简化等效系统的结构示意图；

图2中：1、有限元模块构建模块；2、受径向力轴承简化建模模块；3、受轴向力轴承简化建模模块；4、部件间约束施加模块；5、约束边界条件模块；6、解算输出项设置模块；7、结果显示模块。

图3是本发明实施例的模型示意图；

图3中：8、天线阵面；9、俯仰轴；10、叉臂；11、底轴；12、底座。

图4是本发明实施例的受径向力轴承等效简化有限元模型示意图。

图5是本发明实施例的受轴向力轴承等效简化有限元模型示意图。

图6是本发明实施例的受轴向力轴承等效简化有限元截面模型示意图。

图7是本发明实施例的轴承受载荷路径示意图。

图8是本发明实施例的采用传统方法轴承有限元建模截面示意图。

图9是本发明实施例的有限元分析流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的轴承有限元模型简化等效方法包括以下步骤：

S101：根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型，建模时对有限元模型进行简化，取消有限元模型中不必要的几何特征，并尽量使用壳、梁等单元建模；

S102：对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；

S103：对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；

S104：连接轴承和其余部件的有限元模型，施加必要的边界约束，保证载荷传递路径与原模型一致；

S105：按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；

S106：施加激励载荷，设置解算输出项；

S107：对简化的有限元模型进行解算并显示相应结果。

在本发明中，步骤S101的有限元模型通过参数化语言而建立，模型多采用壳单元建立，对不满足壳单元等效原则处则采用体单元建模，并依照实际结构赋予各个壳面不同的截面参数，模型中的筋则用梁单元建模，同样赋予不同的梁截面参数。

对于只提供负载，而对刚度没有影响的附加部件则建立为等质量、等体积的壳单元空盒，再通过梁单元连接到有限元模型中。取消模型中螺栓孔、小倒角、小圆角、退刀槽等非必要的几何特征。

在本发明中，步骤S102的轴承只受径向力作用，本发明通过多点耦合单元和梁单元进行简化建模，在轴承中心处建立一对空间虚拟节点，节点之间利用多点耦合单元约束，只释放绕轴承轴向的转动。其中一个节点通过梁单元连接轴承外圈安装面上的一圈节点，另一节点连接轴承内圈安装面的上一圈节点，其梁单元材料属性由轴承试验得出的信息给定。

其中，将多点耦合单元设置为转动关节，即放开内外两圈梁的绕轴转动方向的约束。

若轴承简化模型中内外两圈梁连接的为体单元，则需要在体单元表面再划分一层壳单元，保证梁-体单元连接处自由度吻合。

在本发明中，步骤S103的轴承为角接触球轴承且同时受径向力和轴向力，本发明通过杆单元和体单元简化轴承模型。轴承内、外圈利用体单元建模，滚子则利用杆单元简化建模，模拟滚子与轴承内外圈的角接触，从而近似实际轴承内部的传力状况。

其中，杆单元和体单元直接连接，利用杆单元无转动自由度、只受拉压的特性，释放轴承内外圈的转动自由度。

根据实际轴承中滚子数目、位置和尺寸，在有限元模型相应位置截取截面，并添加滚子的杆单元简化模型。

截面上杆单元的具体连接位置参照结构实际情况选取轴承中滚子的点接触位置，从而对应连接轴承内外圈。

在本发明中，步骤S104中为保证轴承轴向载荷传递路径准确，利用刚性区域连接轴承和其余部件的有限元模型，从而模拟轴承与结构其余部件的连接。选取轴承安装面上的某节点为主节点，对应轴承轴向上所有节点为从节点，主从节点间为全约束并可传递载荷。

在本发明中，步骤S105中为了尽可能真实地模拟结构实际情况，上述建模过程中释放了轴承内外圈的绕轴转动自由度，若要对模型进行结构分析，则需按照实际模型在相应位置约束对应绕轴转动自由度。

本发明提供的轴承有限元模型简化等效方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的轴承有限元模型简化等效方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的轴承有限元模型简化等效系统包括：

有限元模块构建模块1，用于根据实际结构建立除轴承外其他部件的有限元模型；

受径向力轴承简化建模模块2，用于对于只受径向力的轴承，采用多点耦合单元和梁单元进行简化建模；

受轴向力轴承简化建模模块3，用于对于受轴向力的轴承，采用体单元和杆单元简化建模；

部件间约束施加模块4，用于连接轴承和其余部件的有限元模型，施加必要的边界约束；

约束边界条件模块5，用于按照实际工况，对有限元模型施加相应的约束边界条件；

解算输出项设置模块6，用于施加激励载荷，设置解算输出项；

结果显示模块7，用于对简化的有限元模型进行解算并显示相应结果。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明以一种叉臂形式的雷达天线座为例，原模型结构示意图如图3所示，模型主体包括天线阵面8、俯仰轴9、叉臂10、底轴11和底座12等，另包括俯仰轴承、方位轴承、电机和编码器等。俯仰轴组保证天线阵面的俯仰运动，方位轴组保证天线阵面的方位运动。

本发明针对原模型的简化主要包括对模型结构件的简化建模，不同受力情况轴承的简化建模，模型中附加部件的简化建模，未进行说明的部件采用本领域的常规技术手段进行有限元建模。

本发明考虑到后续优化问题，模型通过ANSYS APDL语言建立。为减少网格数量和计算量，模型尽量采用shell181壳单元建模，只有厚度不符合壳单元等效原则的地方，如部分轴面厚度过大，就采用体单元建模，再将体单元与壳单元连接处亦划分为壳单元，以保证局部自由度吻合。为保证模型重心位置和负载与原模型一致，模型中附加部件等效为等质量、等体积的壳单元空盒，通过梁单元连接到有限元模型中，如电源组、天线相关部件等，某些不规则部件无法简化为空盒，则通过修改安装面的密度来将质量附到模型中，本实例还采用了质量点的形式添加一些附加部件的质量。各个部件之间在相应连接位置采用梁单元连接，并删去了螺栓孔、小倒角、小圆角、退刀槽等对有限元分析结果影响不大的几何特征。以上措施将有限元单元数量有效控制在几十万以内，远远小于用实体建模时产生的单元数目。

本发明实施例中叉臂上俯仰轴承只承受径向载荷，其轴承简化如图4所示，通过MPC184单元和梁单元进行简化建模，在轴承中心处建立一对空间虚拟节点，节点之间利用MPC184单元约束，只释放绕轴承轴向的转动。其中一个节点通过梁单元连接轴承外圈安装面上的一圈节点，另一节点连接轴承内圈安装面的上一圈节点，其梁单元材料属性由轴承试验得出的信息给定，其中所有梁的质量等于实际轴承质量。

本发明实施例中底轴上方位轴承同时受径向载荷和轴向载荷，其轴承简化如图5所示，轴承内、外圈利用体单元分别建模，根据模型中实际滚子数目和位置，添加滚子的杆单元简化模型。杆单元的具体连接位置参考实际模型中轴承滚子的点接触位置，实施例中轴承为四点接触球轴承，即可通过一对杆单元对应连接内外圈，从而近似实际轴承内部的传力状况。因为杆单元具有无转动自由度，只受拉压的特性，则上述的体-杆单元的轴承简化模型的绕轴转动没有被约束。

本发明为保证有限元模型载荷传递路径准确，在底轴的方位轴承处添加刚性区域，分别连接底座、叉臂与方位轴承，选取轴承安装面上的某节点为主节点，为防止应力集中，以连接螺栓半径选取对应轴承轴向上的所有节点为从节点。此部分轴承的其受力示意图如图6。

因释放了有限元模型中轴承内外圈的绕轴转动自由度，即阵面的俯仰运动和叉臂整体的方位运动，则在对模型进行结构分析时，要按照实际模型，即方位、俯仰定位件所处位置，添加相应转动自由度约束。有限元模型完成后，需在底座安装面上添加位移约束。随后可进行模态分析，添加相应激励后求解可得到谐响应分析、振动分析、功率谱分析等结构静、动力学分析结果。根据有限元模型计算结果提出优化方案，重复上述建模过程，可得到符合设计指标的优化模型。实施例的模态分析结果与实际模型试验结果一致，可证明本发明可靠有效。

为验证本发明相较于传统方法的有效性，分别采用两种方法建立实施例有限元模型。随后对结构进行某工况下的结构分析，由于实施例在工作状态中无转动，固认为滚子与轴承内外圈为点接触，仅有微小相对滑动。

本发明中，受轴向力轴承的内、外圈利用体单元建模，采用映射方式划分为六面体网格，滚子采用杆单元建模，自由划分网格。只受径向力轴承采用梁单元建模，自由划分网格。

传统建模方法中，轴承内外圈和滚子用体单元建模，内外圈采用映射方式划分网格，滚子采用自由网格。设置每个滚子都与内外圈分别接触，接触面为滚子实体面，目标面为轴承内外圈内表面，如图8。

添加某工况下边界条件后，分别求解两种模型的前四阶基频，如图9，并取一阶模态对比分析，如表2和表3：

表2两种方法所得结构前四阶频率

表3传统轴承建模方法与本发明在本实施例对比

可见本发明降低了轴承单元数量，提升了分析效率，且基本保持模型结构特性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。