一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法，该方法包括下列步骤：步骤1，根据Lundberg

【技术实现步骤摘要】
一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法


[0001]本专利技术属于机械设计制造及其自动化领域，特别是涉及一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法。

技术介绍

[0002]深沟球轴承运行时长期承受交变载荷作用易导致疲劳失效，轴承额定动载荷是影响其疲劳寿命短决定性指标，另一方面，受额定静载荷影响的运行平稳性恶化也将导致轴承滚道的塑形变形，进一步缩短轴承的疲劳寿命。目前的优化设计方法仅考虑通过优化特征尺寸设计参数的手段最大化轴承额定动载荷，不足以全面提升其抗疲劳能力。因此，为延长深沟球轴承疲劳寿命并保证运行平稳性，对其多目标优化设计显得十分迫切。
[0003]群智能优化算法是受智能群体社会性或自然规律启发，通过随机搜索结合趋势引导的方式求解组合优化问题的有效途径。深沟球轴承最优特征参数组合的确定过程可定义为求解最优变量组合的约束多目标优化问题。社交网络搜索算法因不含人工设定参数、逻辑明晰且寻优性能优良而在实际工程问题中得到广泛应用。但标准社交网络搜索算法不具备处理变量约束比较和多目标优化的能力，且存在多样性不足和越界处理能力较弱等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种滚子推杆盘形凸轮机构多目标优化设计方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法，利用该方法可获得最大化深沟球轴承额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
的主要结构设计参数组合，延长不同型号深沟球轴承的使用寿命；该方法包括下列步骤：
[0006]步骤1，根据Lundberg
‑
Palmgren寿命理论和深沟球轴承一般工作情况，通过分析额定动载荷和额定静载荷对深沟球轴承疲劳寿命的影响，以延长深沟球轴承疲劳使用寿命为设计目标，建立最大化轴承额定动载荷与额定静载荷的约束多目标参数优化数学模型；深沟球轴承的疲劳寿命L与额定动载荷Q
d
存在以下关系：
[0007][0008]其中，Q为轴承当量动载荷；
[0009]提升深沟球轴承的额定动载荷与额定静载荷均能延长其疲劳使用寿命，因此以同时最大化额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
构建优化设计目标：
[0010]max{Qd,Qs}
[0011]步骤2，依据深沟球轴承疲劳寿命模型和运行平稳性的要求，确定深沟球轴承的球直径D
b
、球组节圆直径D
bp
、球体个数N、内滚道沟曲率半径系数C
i
和外滚道沟曲率半径系数C
o
的结构设计参数范围，构造各结构设计参数需满足的几何、运动和受力约束条件，明确约束
条件中的最大球径系数K
D_max
、最小球径系数K
D_min
、节圆直径相关系数e、轴承外圈壁厚相关系数ε和轴承宽度相关系数w的常数变化范围；
[0012]步骤3，以深沟球轴承的额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
为适应度函数，通过同步最大化Q
d
和Q
s
延长深沟球轴承的疲劳寿命；利用约束多目标社交网络搜索算法在给定轴承外径D、内径d和宽度B的条件下，在解空间内对步骤2中各参数进行优化，并以最大化深沟球轴承的额定动载荷与额定静载荷作为评判标准，获得最优结构设计参数组合，获得最优结构设计参数组合可分为以下几步：
[0013]步骤(1)：假设种群规模为P，种群中任意个体由D维分量构成，第t代时个体i可表示为：其中i∈{1,2,
…
,P}，j∈{1,2,
…
,D}；首先在解空间内通过Sobol序列生成低差异序列数以初始化种群：其中Sobol(1,D)为D维Sobol序列，UB、LB分别为解空间上下限向量，确定算法中最大种群进化代数T；
[0014]步骤(2)：将全部个体每一维对应的参数D
b
,D
bp
,N,C
i
,C
o
,K
D_min
,K
D_max
,e,ε,w代入适应度函数Q
d
和Q
s
中，得到相应个体的适应度值和约束违反情况，根据种群适应度值和约束违反情况进行约束非支配排序；
[0015]步骤(3)：依据初始化种群通过更新机制获得规模相同的新种群newpop，新种群第i个体的更新方式为：
[0016][0017][0018]其中，t∈{1,2,
…
,T}为新种群当前进化代数；k≠i为第k个种群个体；randi(3)为小于3的随机整数；r1、r2和r3为每一维服从均匀分布U(0,1)的三个D维随机向量；M为任意ps(1≤ps≤P)个种群个体的平均位置；d为通过randi(D)随机选择的个体维数；r1和r2为服从均匀分布U(0,1)的随机数；
[0019]步骤(4)：判断个体每一维是否存在超出上下限的情况，若否，则转到步骤(5)；若是，则对个体该维参数进行边界吸收处理：
[0020][0021]步骤(5)：合并pop和newpop形成扩展种群extend_pop，其规模为2P，通过约束非支配排序选取extend_pop中前P个体替换pop中的个体；
[0022]步骤(6)：判断是否达到最大进化代数，若否，则转到步骤(3)；若是，则输出最优参数组合及对应的额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
；
[0023]步骤4：依据步骤3所得结论对深沟球轴承的疲劳延寿设计提出合理的改进方案。
[0024]进一步的，所述步骤1中，额定动载荷Q
d
计算方法为：
[0025][0026][0027][0028][0029]b
m
为加工工艺相关的额定系数；C
c
为与轴承的几何形状、制造精度及材料选用的方面有关的系数；i为深沟球轴承球体列数；cosα为深沟球轴承接触角的余弦值；τ
i
为取决于深沟球轴承球体列数的常系数；额定静载荷Qs计算方法为：
[0030][0031]其中，和为球体与轴承内沟道的接触参数，可通过C
i
计算得出。
[0032]进一步的，所述步骤2中待优化参数组合D
b
,D
bp
,N,C
i
,C
o
,K
D_min
,K
D_max
,e,ε,w应满足的几何、运动和受力约束条件，具体定义为：
[0033][0034]g2＝2D
b
‑
K
D_min
(D
‑
d)≥0,
[0035]g3＝K
D_max
(D
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法，其特征在于：利用该方法可获得最大化深沟球轴承额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
的主要结构设计参数组合，该方法包括下列步骤：步骤1：根据Lundberg
‑
Palmgren寿命理论和深沟球轴承一般工作情况，通过分析额定动载荷和额定静载荷对深沟球轴承疲劳寿命的影响，以延长深沟球轴承疲劳使用寿命为设计目标，建立最大化轴承额定动载荷与额定静载荷的约束多目标参数优化数学模型；深沟球轴承的疲劳寿命L与额定动载荷Q
d
存在以下关系：其中，Q为轴承当量动载荷；提升深沟球轴承的额定动载荷与额定静载荷均能延长其疲劳使用寿命，因此以同时最大化额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
构建优化设计目标：max{Qd,Qs}步骤2：依据深沟球轴承疲劳寿命模型和运行平稳性的要求，确定深沟球轴承的球直径D
b
、球组节圆直径D
bp
、球体个数N、内滚道沟曲率半径系数C
i
和外滚道沟曲率半径系数C
o
的结构设计参数范围，构造各结构设计参数需满足的几何、运动和受力约束条件，明确约束条件中的最大球径系数K
D_max
、最小球径系数K
D_min
、节圆直径相关系数e、轴承外圈壁厚相关系数ε和轴承宽度相关系数w的常数变化范围；步骤3：以深沟球轴承的额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
为适应度函数，通过同步最大化Q
d
和Q
s
延长深沟球轴承的疲劳寿命；利用约束多目标社交网络搜索算法在给定轴承外径D、内径d和宽度B的条件下，在解空间内对步骤2中各参数进行优化，并以最大化深沟球轴承的额定动载荷与额定静载荷作为评判标准，获得最优结构设计参数组合，获得最优结构设计参数组合可分为以下几步：步骤(1)：假设种群规模为P，种群中任意个体由D维分量构成，第t代时个体i可表示为：其中i∈{1,2,
…
,P}，j∈{1,2,
…
,D}；首先在解空间内通过Sobol序列生成低差异序列数以初始化种群：其中Sobol(1,D)为D维Sobol序列，UB、LB分别为解空间上下限向量，确定算法中最大种群进化代数T；步骤(2)：将全部个体每一维对应的参数D
b
,D
bp
,N,C
i
,C
o
,K
D_min
,K
D_max
,e,ε,w代入适应度函数Q
d
和Q
s
中，得到相应个体的适应度值和约束违反情况，根据种群适应度值和约束违反情况进行约束非支配排序；步骤(3)：依据初始化种群通过更新机制获得规模相同的新种群newpop，新种群第i个体的更新方式为：体的更新方式为：
其中，t∈{1,2,
…
,T}为新种群当前进化代数；k≠i为第k个种群个体；randi(3)为小于3的随机整数；r1、r2和r3为每一维服从均匀分布U(0,1)的三个D维随机向量；M为任意ps(1≤ps≤P)个种群个体的平均位置；d为通过randi(D)随机选择的个体维数；r1和r2为服从均匀分布U(0,1)的随机数；步骤(4)：判断个体每一维是否存在超出上下限的情况，若否，则转到步骤(5)；若是，则对个体该维参数进行边界吸收处理：步骤(5)：合并pop和newpop形成扩展种群extend_pop，其规模为2P，通过约束非支配排序选取extend_pop中前P个体替换pop中的个体；步骤(6)：判断是否达到最大进化代数，若否，则转到步骤(3)；若是，则输出最优参数组合及对应的额定动载荷Q
d
和额定静载荷Q
s
；步骤4：依据步骤3所得结论对深沟球轴承的疲劳延寿设计提出合理的改进方案。2.根据权利要求1所述的一种深沟球轴承疲劳延寿结构优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中，额定动载荷Q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冀，贺红林，况云华，李怡庆，汪丽媛，李梓函，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：