一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法、系统及装置与流程

1.本发明属于轴承动力学仿真领域，涉及一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法、系统及装置。


背景技术：

2.随着滚动轴承力学分析理论及计算机仿真技术的不断完善，针对滚动轴承的仿真技术也在不断进步。轴承的动力学分析模型不仅可有效分析轴承的载荷和转速随时间变化时的工作状态及滚动体和保持架的稳定性，而且可以更加真实准确地分析轴承的动态和稳态运动，多体动力学仿真软件adams在动力学分析领域已经得到各界广泛的认可，但是受adams软件自身摩擦求解模型的限制，无法考虑润滑状态对轴承运行状态的影响。
3.轴承的脆弱部件保持架及内外套圈的弹性变形和各部件之间复杂动态接触关系都会对动力学性能产生很大的影响，其中结构尺寸所引起的弹性变形是不可忽略的。传统意义上的多刚体系统适合分析变形微小或变形对结果意义不大的部件，忽略了对精细化运动和弹性变形的耦合因素，而多柔体系统动力学计算对硬件条件要求较高，普通工程计算难以收敛。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法、系统及装置，通过对轴承的关键部位进行柔性化处理，并结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间存在润滑的情况，考虑到润滑所带来的接触刚度、接触阻尼和摩擦系数的变化，使得轴承抵抗变形的能力增加、滚子自转速度更稳定、保持架的运动状态也更稳定，可以使轴承的设计更加优化，仿真条件也更加符合轴承运转的实际工况。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法，包括：
7.根据轴承结构的参数，在仿真软件中建立轴承的参数化三维实体模型；
8.对轴承的参数化三维实体模型进行网格划分，并将轴承的关键部件进行柔性化处理，获取轴承的刚柔耦合模型；
9.根据轴承动力学分析理论，结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间的接触情况，建立考虑润滑的刚柔耦合动力学仿真模型。
10.本发明的进一步改进在于：
11.仿真软件为adams多体动力学仿真软件；所述参数化三维实体模型为在adams中运用脚本语言建立的模型，将参数设置为设计变量；赋予设计变量不同的值，将得到不同的轴承模型。
12.轴承结构的参数不仅包括铝、铸铁和钢材料参数，还包括通过设定材料的密度、泊松比及弹性模量创建适合仿真模型的材料。
13.轴承的参数化三维实体模型是基于有限元离散化思想进行网格划分。
14.将轴承的关键部件进行柔性化处理包括：使用刚性区域法添加外节点对参数化三维实体模型进行处理，生成mnf文件；通过仿真软件自带的柔性模块，导入有限元生成的柔性部件，替换参数化三维实体模型的刚性部件，建立轴承的刚柔耦合模型。
15.结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间的接触情况，建立考虑润滑的刚柔耦合动力学仿真模型包括：针对刚柔耦合模型各部件间的接触情况，分别设置接触刚度和接触阻尼；考虑润滑油膜的存在，各部件间的接触刚度和接触阻尼随着滚动体所受载荷和卷吸速度实时变化；编写润滑子程序与仿真软件建立动态连接并实现两者的双向耦合，完成考虑润滑的动力学仿真模型的建立。
16.润滑子程序与仿真软件的双向耦合包括：润滑子程序接收并处理仿真软件所传递的载荷和卷吸速度，获取接触刚度、接触阻尼和摩擦系数，并将所获取的数据传递给仿真软件。
17.一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真系统，包括：
18.第一建立模块，所述第一建立模块用于根据轴承结构的参数，在仿真软件中建立轴承的参数化三维实体模型；
19.柔性处理模块，所述柔性处理模块用于对轴承的参数化三维实体模型进行网格划分，并将轴承的关键部件进行柔性化处理，获取轴承的刚柔耦合模型；
20.第二建立模块，所述第二建立模块用于根据轴承动力学分析理论，结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间的接触情况，建立考虑润滑的刚柔耦合动力学仿真模型。
21.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
22.一种计算机可读存储介质，所述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实现上述方法的步骤。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明公开了一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法、系统及装置；本发明创建的参数化模型，轴承模型创建和修改模块允许用户通过轴承结构参数，快速建立起轴承的三维模型，还允许用户修改轴承各部分的材料参数。用户在修改材料属性时，既可使用该模块数据库中已存在的材料如：铝、铸铁、钢等，也可根据自身要求重新设定材料的密度、泊松比来创建适合自己仿真模型的新材料。在修改轴承模型时，不用删除原模型重新创建，允许用户通过更改部分参数实现轴承模型的快速修改，比以往的三维建模方式更简洁快速，适用于大批量的仿真工作，也可以用于轴承的设计与优化工作。
25.刚柔耦合模型将有限元分析与动力学仿真分析进行了结合，吸收了两种分析的优点。刚柔耦合模型不仅能输出柔性元件的模态频率及振型、运动过程中的应力变化云图，及最大应力所在节点，还可以输出轴承各元件的旋转速度、接触载荷、质心轨迹等。仅将关键部件柔性化处理，即可提高计算效率，亦可提高计算精度。与adams构建的全刚性模型对比，刚柔耦合模型元件间的碰撞作用明显降低，且仿真结果与实际工况更为相符。
26.本发明建立了考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学模型，考虑了由于润滑带来的刚度、阻尼以及油膜拖动系数的变化，使得轴承抵抗变形的能力增加、滚子自转速度更稳定、保持架的运动状态也更稳定，仿真条件也更加符合轴承运转的实际工况。
附图说明
27.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
28.图1为本发明的考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法的流程示意图；
29.图2为本发明的建立考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学模型的流程图；
30.图3为本发明的考虑润滑后的轴承刚度阻尼接触模型图；
31.图4为本发明的轴承刚柔耦合三维模型图；
32.图5为不考虑润滑的刚性模型仿真结果图；
33.图6为考虑润滑的刚性模型仿真结果图；
34.图7为本发明的考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
42.参见图1，图1公布了一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真方法，包括：
43.s101，根据轴承结构的参数，在仿真软件中建立轴承的参数化三维实体模型。
44.在adams中利用python语言编写脚本来创建轴承的参数化三维实体模型，可根据需求更改轴承结构参数，实现自动化建模；参数化建模是轴承动力学分析中实现快速建模、节省仿真分析时间的重要环节。利用参数化建模，可根据需求更改轴承结构参数，分析不同参数条件下轴承服役性能，并且可以预先设置参数数值，实现自动化建模。
45.以外圈为例介绍轴承参数化设计变量的方法创建动力学模型的流程：
46.创建设计变量，设计变量主要用于轴承结构参数的输入，主要参数为外圈外径d，外圈内径d
oi
，外滚道半径r0，外圈宽度b等。
47.创建标记点，标记点在模型创建过程中可以为轴承组件的位置和方向定位，并且根据标记点能创建轴承组件的可视化实体。外圈创建三维模型时需要用到的标记点及其坐标如表1
‑
1所示：
48.表1
‑
1外圈标记点创建
[0049][0050]
创建外圈轮廓。在adams中创建可视化实体时，必须先有部件。通过geometry create shape命令可创建外圈部件，首先利用标记点2、3创建圆柱体，标记点4、5创建圆环，然后对圆环与圆柱体进行布尔减操作，得到外圈的滚道。至此，轴承外圈的实体模型创建完成。利用同样的方法创建轴承的内圈、保持架及滚动体，得到轴承的三维模型。
[0051]
干涉检查，adams干涉检查可通过在两个部件之间建立clearance函数实现，应用clearance检查两个实体之间的最小间隙，若间隙值大于0则未发生干涉。
[0052]
材料设定在参数化建模的过程中允许修改轴承各部分的材料参数，在修改材料属性时，既可使用该模块数据库中已存在的材料如：铝、铸铁、钢等，也可根据自身要求重新设定材料的密度、泊松比及弹性模量来创建适合自己仿真模型的新材料。
[0053]
s102，对轴承的参数化三维实体模型进行网格划分，并将轴承的关键部件进行柔性化处理，获取轴承的刚柔耦合模型。
[0054]
如图2所示，图2为建立考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学模型的流程图；基于参数化建立的轴承三维模型，利用有限元离散化思想对部件进行适当的网格划分，通过刚性区域法添加外节点进行模态求解，生成mnf文件，通过adams自带的柔性模块，导入有限元生成的柔性部件，替换原刚性部件，建立轴承的刚柔耦合模型。将轴承的关键部件柔性化处理，建立多体刚柔耦合模型，核心特征是柔性体的变形与整体刚性运动间的相互耦合，既考虑精细化运动和弹性变形的耦合因素，又可提高计算效率、计算精度。
[0055]
s103，根据轴承动力学分析理论，结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间的接触情况，建立考虑润滑的刚柔耦合动力学仿真模型。
[0056]
创建约束，轴承在无约束状态下，具有六个自由度，为x、y、z三个方向的平动与转动。而在实际工作过程中，圆柱滚子轴承外圈处于固定状态，具有0个自由度，因此需要添加
相应的约束副，以约束其运动。轴承内圈具有5个自由度，保持架具有3个自由度，滚动体为6自由度，因此，对保持架添加平面副约束，对内圈仅约束其轴向转动方向的自由度，对滚动体不添加任何自由度约束。
[0057]
添加外载荷，对于nu类型的圆柱滚子轴承，在工作过程中仅受径向载荷作用，且载荷作用于内圈质心处。载荷的方向由标记点坐标决定，其中x轴为轴向。
[0058]
在设置接触时针对各部件间的接触情况，要分别设置各部件间的接触刚度以及接触阻尼。当考虑了润滑时，由于润滑油膜的存在，其接触刚度和接触阻尼会随滚动体所受载荷以及卷吸速度实时变化，此时不能直接在adams中设定刚度和阻尼，需要借助c语言自行编写润滑子程序程序并与adams建立动态链接，子程序接收adams传递的速度、载荷等参数用于计算并更新刚度、阻尼以及摩擦系数实现双向耦合，完成考虑润滑的动力学仿真模型的建立。
[0059]
考虑润滑后的轴承刚度阻尼接触模型如图3所示，将接触区划分为三部分——润滑剂入口区、hertz接触区和润滑剂出口区。三个区的接触特性为：入口区存在刚度和阻尼；由于在hertz接触区油膜刚化，其油膜刚度远大于接触副的hertz接触刚度，所以hertz接触区的油膜阻尼可以忽略，因而hertz接触区没有阻尼，只有hertz刚度；由于在出口处油膜压力较小，其油膜刚度以及油膜阻尼系数非常小，因此可以忽略不计。则考虑润滑后总的接触刚度：
[0060][0061]
式中，k
r
为入口区考虑润滑的油膜接触刚度，k
ou
为滚动体与轴承外滚道结构接触刚度，k
in
为滚动体与内滚道结构接触刚度，k
yo
为油膜刚度。
[0062]
考虑润滑后的接触阻尼，一般来说赫兹接触区的接触阻尼和滚子的接触阻尼应为串联关系，由于赫兹接触区油膜粘性阻尼与结构阻尼相比太小，几乎可以忽略不计，因此总的阻尼系数为入口区油膜阻尼系数与轴承结构阻尼系数并联，总的接触阻尼为：
[0063]
c＝c
r
c
s
[0064]
式中，c
r
为入口区的油膜阻尼系数，c
s
为轴承的结构阻尼系数。
[0065]
至此，考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真模型建立完成，如图4所示，开始仿真分析，通过adams后处理模块查看仿真结果，保持架质心轨迹如图5和图6所示，可以看出考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学模型与adams构建的全刚性模型相比运动状态更稳定。
[0066]
参见图7，图7公布了一种考虑润滑的轴承刚柔耦合动力学仿真系统，其特征在于，包括：
[0067]
第一建立模块，用于根据轴承结构的参数，在仿真软件中建立轴承的参数化三维实体模型；
[0068]
柔性处理模块，用于对轴承的参数化三维实体模型进行网格划分，并将轴承的关键部件进行柔性化处理，获取轴承的刚柔耦合模型；
[0069]
第二建立模块，用于根据轴承动力学分析理论，结合轴承的刚柔耦合模型各部件之间的接触情况，建立考虑润滑的刚柔耦合动力学仿真模型。
[0070]
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存
储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0071]
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
[0072]
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0073]
所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0074]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
[0075]
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0076]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。