本发明专利技术涉及一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，该方法包括：使用有限元软件建立相应圆柱滚子轴承的有限元模型；根据设定磨损时间内仿真得到的磨损深度和轴承的极限磨损深度计算得到轴承的磨损寿命。本发明专利技术相比于圆柱滚子轴承磨损实验，具有经济性高、适用性强的优点，针对不同类型或者不同工况的圆柱滚子轴承，只需要改变相关参数进行仿真即可，同时能够反映出圆柱滚子轴承内部滚道的磨损规律并对圆柱滚子轴承的磨损寿命进行快速预测。该方法在圆柱滚子轴承设计之初就能够快速对其磨损性能和磨损寿命进行预测，指导轴承设计人员以此为基础进行耐磨性优化设计，对提高圆柱滚子轴承的磨损性能具有重要实际应用意义。
【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及机械摩擦磨损数值仿真，特别是涉及一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、圆柱滚子轴承因其摩擦力矩低、承载能力强等优点，被广泛应用于航空发动机等大型旋转机械设备。高速与重载的工作环境容易使轴承发生失效，从而造成大量经济损失并危及人身安全。滚动轴承的失效模式可以分为六大类：滚动接触疲劳、磨损、塑性变形、腐蚀、电蚀、开裂和断裂。其中，磨损是轴承最主要的失效形式之一，研究轴承的磨损规律并准确预测其磨损寿命具有重要意义。
2、目前针对滚动轴承，特别是圆柱滚子轴承磨损的研究手段主要是实验，主要可分为两类：一类是振动分析法，通过采集系统的振动信号来分析轴承的磨损，主要方式有谱峭度、小波分析和经验模式分解等；另一类是油液监测法，通过检测系统润滑油中磨屑的成分、大小和数量来分析轴承的磨损，主要方式有光谱分析、铁谱分析和电磁感应等。实验的方法无法探究轴承内部的磨损规律且对寿命的预测性不强，同时当轴承型号和轴承工况发生改变时均需要重新进行实验，耗费大量的人力、物力。
3、随着计算机技术和有限元法的发展，用数值仿真的方法实现磨损的仿真成为了可能，基于有限元的数值仿真方法可以有效弥补轴承实验的不足，并且已成功应用于凸轮、齿轮、模具和密封圈等结构中，但对于轴承的磨损仿真研究主要集中于关节轴承和滑动轴承等结构相对简单的轴承，而滚动轴承由于部件较多且内部应力分布复杂，故针对圆柱滚子轴承磨损的数值仿真方法仍处于空白状态。
技术实现思路</p>0、
技术实现思路
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1、本专利技术的目的是提供一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，可以探究圆柱滚子轴承内外滚道的磨损形貌并预测磨损寿命。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供了如下方案:
3、一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，包括以下步骤：
4、s1、针对所求圆柱滚子轴承的形状、材料和工况，在有限元软件中设置对应参数建立其有限元模型；
5、s2、根据所建立的圆柱滚子轴承有限元模型确定滚道与滚子间的接触压应力和相对滑移量，确定圆柱滚子轴承滚道表面各节点的磨损方向；
6、s3、通过编程根据磨损增量步、当前滚道与滚子间的接触压力和相对滑移量来计算轴承滚道表面节点当前增量步下的磨损深度；
7、s4、基于ale自适应网格技术根据计算得到的磨损深度对轴承滚道表面的轮廓和滚道区域附近的网格进行更新；
8、s5、判断磨损增量步的累积时间是否达到设定的磨损时间，若增量步累计时间小于设定的磨损时间则根据更新后的有限元模型确定滚道与滚子间的接触压应力和相对滑移量，返回步骤“确定圆柱滚子轴承滚道表面各节点的磨损方向，并根据磨损增量步、当前滚道与滚子间的接触压力和相对滑移量确定轴承滚道表面节点当前的磨损深度”，若增量步累计时间达到设定的磨损时间，则磨损仿真完成；
9、s6、得到滚道表面各节点的磨损深度，从而得到轴承内外滚道的磨损形貌；
10、s7、根据磨损仿真结果和轴承的极限磨损深度计算轴承的磨损寿命。
11、可选的，建立圆柱滚子轴承的有限元模型时，需根据轴承的实际情况建立相应的几何模型设置内圈、外圈、滚子和保持架的材料参数与边界条件，设置滚道与滚子、滚子与保持架之间的接触属性，设置内圈或者外圈的载荷和转速，并根据精度要求选择单元类型、网格尺寸和积分方式。
12、可选的，可以对模型进行简化，其模型可以是三维模型，也可以是二维简化模型。
13、可选的，在进行场输出参数的设置时，要根据磨损计算公式来选择所需的场输出变量，然后提交运算求解。
14、可选的，确定滚道表面节点的磨损方向的方法为：首先对轴承滚道表面的边界节点及相邻节点重新编号，编写磨损子程序通过节点编号来判断是否为边界节点，若为边界节点，则磨损方向为边界节点指向相邻节点的方向，若不是边界节点，则磨损方向为该节点的法向。
15、可选的，对于二维圆柱滚子轴承有限元模型，只存在边界节点，磨损方向为滚道表面节点指向内部相邻的节点。
16、可选的，根据磨损增量步、当前滚道与滚子间的接触压力和相对滑移量确定轴承滚道表面节点当前的磨损深度，具体包括磨损深度的计算公式为：
17、△h＝kcp△s
18、式中，△h为滚道表面节点当前增量步下的磨损深度，kc为有量纲磨损率系数，p为滚道表面节点当前增量步下的接触压力，△s为当前增量步下滚道和滚子间的相对滑移距离。
19、可选的，有量纲磨损率系数与接触压力有关，而圆柱滚子轴承各位置角处的接触压力并不相同，导致磨损率系数并非不变的常量，其与接触压力呈指数关系：
20、kc＝cpx
21、式中，c为磨损相关常量，x为磨损相关指数，可通过相关材料的磨损实验获得。
22、可选的，基于ale自适应网格技术根据计算得到的磨损深度对轴承滚道表面的轮廓和滚道区域附近的网格进行更新，需要根据所建立的模型选取磨损表面节点集和ale自适应网格的应用区域。
23、可选的，设定磨损时间时，可以将内外滚道分开进行磨损仿真，磨损时间可以相同也可以不相同；也可以对内外滚道同时进行磨损仿真，磨损时间相同。
24、可选的，滚道表面各节点的磨损深度为磨损时间内各增量步磨损量深度之和：
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26、式中，h为节点在设定磨损时间内的磨损深度，i为增量步序号，n为设定磨损时间内有限元分析过程中的总增量步数量，△hi为增量步i下该节点的磨损深度。
27、可选的，轴承极限磨损深度根据轴承的应用场景所决定，磨损寿命计算公式为：
28、
29、式中，l为磨损寿命，hs为极限磨损深度，t为设定的磨损仿真时间，hmax为所设定磨损时间内磨损表面各节点中最大的磨损深度。
30、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
31、本专利技术提供一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，具有经济性高、适用性强的优点，针对不同类型或者不同工况的圆柱滚子轴承，只需要改变相关参数进行仿真即可，同时能够反映出圆柱滚子轴承内部滚道的磨损规律并对圆柱滚子轴承的磨损寿命进行快速预测。该方法在圆柱滚子轴承设计之初就能够快速对其磨损性能和磨损寿命进行预测，指导轴承设计人员以此为基础进行耐磨性优化设计，对提高圆柱滚子轴承的磨损性能具有重要实际应用意义。
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【技术保护点】
1.一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S1中，建立圆柱滚子轴承的有限元模型时，根据轴承情况，设置内圈、外圈、滚子和保持架的材料参数与边界条件，设置滚道与滚子、滚子与保持架之间的接触属性，设置内圈、外圈的载荷和转速，并根据精度要求选择单元类型、网格尺寸和积分方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S2中，确定滚道表面节点的磨损方向的方法为：
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S3中，计算滚道表面各节点在当前磨损增量步下的磨损深度的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S4中，根据有限元模型，选取磨损表面节点集和ALE自适应网格的应用区域，对轴承滚道表面的轮廓和滚道区域附近的网格进行更新。
6.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S6中，滚道表面各节点的磨损深度为磨损时间内各磨损增量步磨损量深度之和：
7.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤S7中，磨损寿命根据如下公式计算：
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【技术特征摘要】
1.一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤s1中，建立圆柱滚子轴承的有限元模型时，根据轴承情况，设置内圈、外圈、滚子和保持架的材料参数与边界条件，设置滚道与滚子、滚子与保持架之间的接触属性，设置内圈、外圈的载荷和转速，并根据精度要求选择单元类型、网格尺寸和积分方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿真方法，其特征在于，步骤s2中，确定滚道表面节点的磨损方向的方法为：
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元法的圆柱滚子轴承磨损数值仿...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱征华，谢金华，钱智，李鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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