[發明專利]一種利用有限元建模計算柔性軸承疲勞壽命的方法

在審

• 申請號: 201710234747.7
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107239590A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 王亞珍;姜祎
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及柔性軸承疲勞壽命計算方法領域，具體是一種利用有限元建模計算柔性軸承疲勞壽命的方法。

背景技術

諧波齒輪傳動技術是上世紀50年代隨航天技術的發展而產生的一種新的傳動技術。諧波減速器主要由波發生器、柔輪、剛輪等組成。裝有柔性軸承的凸輪波發生器是諧波傳動主要采用的波發生器結構。

由于諧波齒輪傳動的諸多獨特優點，近幾十年來，諧波減速器廣泛應用在工業機器人、高檔轎車、航空航天、光學儀器、通用機械等領域。柔性軸承作為諧波減速器的關鍵配套元件，柔性軸承的疲勞壽命是影響諧波減速器的壽命的重要因素之一。

柔性軸承不同于普通軸承，它的內外圈的壁厚薄，容易產生彈性變形，在未裝入凸輪之前內外圈是圓形的。如圖3所示，裝上凸輪軸1之后，柔性軸承內圈2、柔性軸承外圈3變形為凸輪軸1廓線的等距曲線。

現有的柔性軸承疲勞壽命一般通過實驗測得，這種方法成本高，實驗時間長，且一般實驗機對待測軸承的型號尺寸有限定，適用性不高。

而現有利用仿真計算疲勞壽命的方法都是以普通軸承為分析對象，這類軸承的內外圈在工作狀態保持圓形，跟柔性軸承裝配到凸輪情況套圈會發生大的彈性變形這一特點不同。現有的軸承仿真方法無法模擬柔性軸承裝配到凸輪是套圈發生大的彈性變形這一過程，所以現有仿真方法不再適用于柔性軸承，目前也沒有很好的柔性軸承仿真方法。

通過仿真方法預測柔性軸承的疲勞壽命，相比實驗方法成本低，分析快，可適用不同型號的柔性軸承，縮短了柔性軸承設計開發周期，對諧波齒輪傳動技術的推廣應用和經濟社會發展具有重要意義。

本發明提出一種利用有限元建模計算柔性軸承疲勞壽命的方法，如圖1所示，利用link單元代替保持架，模擬保持架對滾動體的約束，由有限元仿真結果得到柔性軸承內部載荷分布，用于計算柔性軸承的當量滾動體載荷，從而計算柔性軸承的疲勞壽命。

發明內容

本發明為克服現有技術的上述缺陷，提出一種利用有限元建模計算柔性軸承疲勞壽命的方法，該方法可以模擬柔性軸承裝配到凸輪這個過程，同時該方法利用link單元代替軸承保持架簡化了有限元模型，相比實驗方法成本低，分析快，可適用不同型號的柔性軸承。

本發明采用的技術方案為：一種利用有限元建模計算柔性軸承疲勞壽命的方法，其特征在于，該方法實現步驟如下:

步驟1)：UG(注：一種三維輔助設計軟件)中畫出柔性軸承和凸輪軸的幾何立體模型，并且保存為bearing.stp格式；

步驟2)：打開ANSYS(注：一種有限元力學仿真軟件)，導入bearing.stp幾何立體模型，將內圈、外圈、滾動體、凸輪軸軸劃分為六面體網格，并在凸輪軸-內圈，內圈-滾動體，外圈-滾動體之間設置接觸關系；

步驟3)：添加link單元代替軸承保持架；

步驟4)：在有限元模型中施加載荷和約束；

步驟5)：將有限元模型導入到工程分析軟件ANSYS中，進行多體接觸分析；

步驟6)：導出ANSYS分析計算出的各個滾動體位置的法向接觸反力，根據公式計算柔性軸承的當量滾動體載荷；

步驟7)：根據L-P壽命理論(注：一種由Lundberg和Palmgren提出的計算軸承壽命的理論)，計算柔性軸承的壽命。

進一步的，所述的添加link單元代替軸承保持架，如圖1、2所示，具體步驟如下：

步驟①：在每個滾動體的球心位置生成3個節點，1號滾動體生成的三個節點，節點名稱可以稱為1-1，1-2，1-3；2號滾動體生成的三個節點稱為2-1，2-2，2-3…；柔性軸承滾動體個數為23，故共生成69個節點；

步驟②：上述生成的節點中，對相同位置的節點的平動自由度進行耦合，相同位置的節點的轉動自由度可以不同；節點1-1、節點1-2、節點1-3的X、Y、Z三個方向的平動自由度相同，但轉動自由度可以不同；

步驟③：將相鄰的滾動體之間的節點相連形成link單元(5)，連接方式為節點1-1與節點2-3相連，節點2-1與節點3-3相連…節點22-1與節點23-3相連，最后節點23-1與節點1-3相連，這些形成了23個link單元；

步驟④：將球心節點與球表面的節點建立多點約束MPC，使球表面節點的自由度與球心節點自由度相同，滾動體1’(4)表面的節點與節點1-2建立多點約束，滾動體2’(4)表面的節點與節點2-2建立多點約束…。

本發明的原理在于：