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《昆明理工大学》 2009年
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球轴承多体接触动力学研究

姚廷强  
【摘要】:球轴承被广泛用于机械系统的旋转支撑部件,对机械系统动力学性能有着重要的影响。目前,国内外滚动轴承力学研究主要运用静力学和拟动力学方法,深入研究润滑、摩擦、温度、波纹度或保持架的影响。在当今国际制造水平向静音轴承发展的过程中,为了降低球轴承振动、优化轴承动态性能和探索轴承工程应用环境的影响,精确的轴承动力学设计与动力学分析是球轴承的理论研究和工程应用亟待解决的关键问题。本文主要研究目的是提出一种快速有效的球轴承多体接触动力学分析的新方法,忽略润滑和保持架接触冲击的影响,建立球轴承的三维多参数耦合多体接触动力学分析模型,深入研究球轴承的接触振动机理。 本文基于云南省省院省校合作项目“数控万能工具铣床XK8140动态数字样机建模与仿真分析关键技术研究”(批准号:2004YX12)的资助,从多体系统动力学观点出发,围绕球轴承多体接触动力学问题进行了相关研究。在轴承外圈等效方法、球轴承刚柔多体接触动力学模型、新型广义-α法、动力学分析和球轴承柔性多体接触振动分析等方面取得了研究成果。论文的主要研究工作包括: (1)基于柔性多体动力学理论,提出了以等效刚体单元的相对坐标和曲线铁木辛柯梁单元描述球轴承外圈的运动和结构弹性变形的新方法。结合球轴承套圈滚道的表面方程,研究了套圈滚道表面的三角网格模型,从而运用基于罚函数法的接触力显式表达式,建立了钢球和套圈的接触动力学模型。在此基础上,建立了考虑钢球和套圈动态接触关系的球轴承多参数耦合刚柔多体接触动力学模型。 (2)针对球轴承多体接触动力学分析中涉及的多体接触冲击、游隙等非线性因素和具有套圈单元离散引起的高频振荡特征,结合隐式数值积分解耦法,提出了适用于球轴承接触动力学分析的新型广义-α法。通过数值实例讨论了新型广义-α法的阻尼耗散特性、数值精度、收敛阶次、稳定性和计算效率。 (3)运用新型广义-a法对球轴承刚柔多体接触动力学模型进行了仿真研究,计算了运转状态下球轴承的接触非线性振动特性。分析了不同结构参数、转速和载荷等因素对球轴承的接触载荷分布、弹性变形、接触角、振动位移、加速度和频率等动力学特性和接触振动响应的影响。计算并探讨了运转状态下球轴承的接触非线性振动频率的变化规律,表明运转状态下在径向力作用时的球轴承接触非线性振动频率比在预紧力作用时的具有更加明显的非线性、时变性和周期性等特点。以固定式加速度计安装方式实现了球轴承振动真实信号的测量,实验验证了球轴承刚柔多体接触动力学的理论研究方法、计算分析结果的正确性和有效性。进一步丰富了球轴承振动理论,为球轴承动态设计和动态性能改善提供了参考。 (4)结合有限元方法与柔性多体动力学方法,考虑套圈结构弹性变形、钢球和套圈动态接触关系,建立了新的球轴承柔性多体接触动力学分析模型。在不同载荷条件下计及转速、游隙和离心力影响时,分别讨论了运转状态下球轴承的动态接触应力、弹性变形、接触角等接触振动特性。进一步认识了滚动轴承变支承刚度下的柔性接触振动规律和载荷分布规律。 理论研究方法和研究结果是多体接触动力学方法在球轴承动力学中的新尝试,丰富和完善了滚动轴承的振动理论,对以振动和疲劳寿命为目标的滚动轴承与轴承系统的动态设计、动力学分析和工程应用不仅具有重要的实用价值,而且具有重要的理论意义。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TH133.33

【引证文献】
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1 闫鑫;滚动轴承力学特性的有限元分析研究[D];华中科技大学;2013年
【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 赵联春;球轴承振动的研究[D];浙江大学;2003年
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【共引文献】
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10 王中双;徐长顺;陈集;;平面多体机械系统耦合动力学键合图法[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
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【同被引文献】
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【二级参考文献】
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7 马秀腾;翟彦博;罗书强;;多体系统运动方程广义-α数值求解新算法[A];第七届全国多体系统动力学暨第二届全国航天动力学与控制学术会议会议论文集[C];2011年
8 张来平;杨永健;张涵信;;子母弹分离数值模拟[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
9 龙尧松;涂正光;李亭鹤;阎超;;高超音速导弹壳片分离的CFD计算研究[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
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8 刘玉芳;采用准经典轨线和量子散射理论研究碰撞反应的矢量和标量性质[D];大连理工大学;2004年
9 苏小平;依维柯汽车多体动力学仿真分析、优化研究及工程实现[D];南京理工大学;2004年
10 马文娟;红外手术导航仪关键技术研究[D];上海交通大学;2010年
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4 关柯;基于多体的导向机构强度分析和转向传动机构的优化设计[D];合肥工业大学;2002年
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7 孙盛茂;基于CORBA的分布式多体系统灵敏度分析[D];青岛大学;2003年
8 王一波;基于模板技术的汽车多体动力学建模研究[D];华中科技大学;2012年
9 余相俊;高速汽油机曲轴—轴承系统的多体动力学分析[D];湖南大学;2014年
10 褚志刚;汽车转向轮高速摆振研究[D];重庆大学;2002年
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