混合陶瓷角接触球轴承温度场分布的有限元分析

论文摘要

随着高新技术的飞速发展,混合陶瓷球轴承以其无可比拟的优势在各种高温、高速、苛刻环境等应用场合得到广泛的应用,但是相关理论和设计手段相对滞后。本文将有限元法应用于混合陶瓷球轴承的分析设计中,重点对高速工况下滚珠的自旋摩擦力矩和稳态温度场分布进行了深入的分析研究。本文首先在套圈滚道控制理论的基础上,利用数值分析软件MATLAB计算内外圈的接触角,以此为切入点,研究了接触角随轴向载荷和转速的变化规律;分析了内外圈的接触负荷和滚珠的自旋角速度,理论计算出滚珠的自旋摩擦力矩;同时在有限元软件ABAQUS中采用简化的模型对自旋摩擦力矩进行仿真,并将理论值与有限元的结果进行对比,验证了模型的加载方式和边界约束条件的正确性,为进一步分析高速轴承温度场的分布奠定基础。轴承生热的绝大部分来源于自旋摩擦,本文主要分析了自旋摩擦的生热功率,研究了其随轴向载荷和转速的变化规律,并以此作为热载荷加入到ABAQUS的分析模型中;为了降低有限元分析的计算成本,将三维的轴对称轴承模型简化为二维,不断旋转的热源近似为环形的发热区域,变换成二维线热源;通过对模型的分析,获取了接触区域、滚珠、内外圈的稳态温度场分布;最后将温度场的有限元分析结果与现有文献中类似工况下的温度场进行对比,证明了有限元分析结果是可信的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.1.1 混合陶瓷球轴承的优越性
• 1.1.2 轴承热分析的必要性
• 1.2 陶瓷球轴承的发展现状
• 1.2.1 国内外研究状况
• 1.2.2 轴承设计理论及技术概述
• 1.2.3 轴承热分析的发展状况
• 1.3 有限元法的基本思想及其在轴承分析中的应用
• 1.3.1 有限元法的基本思想
• 1.3.2 有限元方法在轴承分析中的应用
• 1.3.3 有限元法在热分析中的应用
• 1.4 论文拟研究的主要内容
• 1.4.1 本课题组近年研究进展状况
• 1.4.2 论文拟研究的主要内容
• 第二章 有限元软件ABAQUS 在轴承分析中的应用
• 2.1 有限元分析软件ABAQUS 的概述
• 2.1.1 ABAQUS 有限元软件的特点
• 2.1.2 ABAQUS 软件的基本分析流程
• 2.2 比较隐式和显式分析过程
• 2.2.1 在隐式和显式分析之间选择
• 2.2.2 隐式和显式分析中网格加密的成本
• 2.3 轴承运转工况在ABAQUS 软件中的实现
• 2.3.1 ABAQUS/Explicit 中实现轴承部件间的接触和摩擦
• 2.3.2 轴向载荷的施加和内圈旋转的实现
• 2.4 本章小结
• 第三章 高速球轴承的接触角和自旋摩擦力矩
• 3.1 角接触球轴承高速运转下的接触角
• 3.1.1 基于Matlab 的接触角方程组求解
• 3.1.2 内外圈接触角的变化规律
• 3.2 角接触球轴承的自旋摩擦力矩
• 3.2.1 内外圈接触负荷的计算和滚珠自旋角速度
• 3.2.2 高速球轴承的自旋摩擦力矩
• 3.2.3 自旋摩擦力矩的变化规律
• 3.3 自旋摩擦力矩的有限元模拟
• 3.3.1 简单模型验证ABAQUS 中摩擦相关参数的关系
• 3.3.2 简化模型分析自旋摩擦力矩
• 3.3.3 有限元结果的后处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于ABAQUS 的混合陶瓷角接触球轴承温度场分析
• 4.1 高速轴承的发热功率
• 4.1.1 轴承发热功率的基本理论
• 4.1.2 发热功率的变化规律
• 4.2 ABAQUS 中的热力耦合分析
• 4.2.1 ABAQUS 软件支持求解的传热类型
• 4.2.2 ABAQUS 进行热力耦合分析的基本步骤
• 4.3 高速轴承的温度场分析
• 4.3.1 角接触球轴承模型简化
• 4.3.2 分析模型的建立
• 4.3.3 有限元结果的处理
• 4.3.4 与其他参考文献中温度场对比
• 4.3.5 ABAQUS 中模拟热平衡的其他方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 附录
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢