滚动轴承复杂接触界面系统SPH建模与分析

发布时间：2017-04-23 22:15

  本文关键词：滚动轴承复杂接触界面系统SPH建模与分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着机械制造行业机器越来越向精密、高速和重载方向发展，如何提高高速轴承寿命和工作性能越来越成为人们普遍关注的问题。实验检测和数值模拟是研究轴承动态接触机理及可靠性分析最有效的方法。但是，实验方法经常会因为外在因素的干扰而影响数据的准确性，还会受到经费、场地、安全和环保等因素的限制。因此通过数值模拟的方法来开展研究越来越受到人们的欢迎。 传统的设计计算方法中，通过建立各种复杂的数学模型来计算相关参数，而且这些模型都是建立在一定的经验和假设之上，适用性收到限制。此外，求解这些模型更是困难，学者们通过探索不断寻找各种解决方法。多年来取得了一定的研究成果，然而理论方法只能揭示特定条件下的接触行为，而基于网格的有限元法、有限体积法或有限差分法等数值分析方法，却难以有效模拟多体接触界面的实时动态非线性流变弹流行为。关键问题不仅仅是网格畸变或突变，更重要的是复杂非线性耦合界面的实时跟踪和网格重划分变得十分困难。为此，很有必要研究能够实时动态模拟材料非线性破碎行为、复杂非线性流动行为和实时跟踪多场多相复杂耦合界面而无需网格重划分的无网格数值建模理论和关键算法。 光滑粒子流体动力学(SPH)是基于拉格朗日思想的无网格数值计算方法，相比于其他有网格算法，本身具有很多优势，提供了一种很有效地解决流体动力学问题的方法。本文依托新疆大学计算力学与工程优化前沿研究中心实验室,在国家重点基础研究发展计划项目---高性能滚动轴承基础研究的资助下，，对SPH基本思想和核心算法进行了认真分析，并结合课题，修改和完善计算方法，成功将其应用到本研究中，解决了传统数值计算无法对流体流动实时动态行为进行再现的难题，扩展了SPH方法的工程应用领域,具有重要的理论和应用价值。本研究内容重点针对考虑润滑状态时，用SPH无网格法研究轴承内外圈和滚动体的多体动态接触界面系统的油膜非线性流动行为及动态冲击的SPH建模理论与关键算法。本文主要开展了一下几个方面的工作：1.研究不可压缩牛顿流Navier-Stokes方程的SPH建模方法和关键算法。 充分调研SPH理论和相关算法，结合课题，研究考虑速度场和压力场，设计出适用于滚动轴承润滑接触的SPH理论和建模方法：根据轴承原型，经过合理的假设，设计出用于SPH计算的轴承简化模型。在前处理阶段设计了SPH模型，同时根据实际情况施加不同的边界条件。在主处理阶段编制了关键算法，为计算提供技术支持；2.滚动轴承在工作条件下油膜润滑机理及界面参数影响规律研究。 应用SPH方法研究了轴承在工作条件下润滑油膜的建立及行为特性，探索轴承中润滑介质在接触界面的分布规律与运动特性。通过考虑流体粘度的变化对微小区域的流动特性的影响，建立SPH数值算法，对作用区域的微观运动机理进行动态模拟。研究了压力波动对滚动轴承性能的影响，找出了产生振动和噪音的重要因素，这种通过动态的模拟来形象地揭示轴承的力学特性的方法，对丰富轴承振动理论和研究方法具有重要的意义；3.急速启停工况下轴承动态接触行为对轴承可靠性影响规律的研究。 所谓急速启停工况，就是在非常短的时间内使轴承迅速启动和停止，这会使轴承的载荷和运动状态发生很强烈地变化，对研究引起轴承损伤和使用寿命的原因具有很好的使用价值。本文通过模拟急速启停工况下的微接触区域的变化来分析极端工况对轴承性能的影响。不仅实现了在该区域的流动行为的实时重现，动态的观察这种动荡和冲击，而且初步探索了引起轴承运转不稳定、振动和噪音等现象发生的原因。对提高轴承使用性能具有一定的参考价值。
【关键词】：滚动轴承 SPH 实时动态模拟 振动
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.33
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 计算流体动力学11-12
• 1.2 课题的来源及选题依据12-15
• 1.3 本文的主要工作15-18
• 第二章 SPH 方法的基本理论18-27
• 2.1 SPH 方法概述18-21
• 2.1.1 SPH 方法的基本原理18-19
• 2.1.2 SPH 方法的基本方程19-21
• 2.2 其他基本概念21-27
• 2.2.1 支持域和影响域21-22
• 2.2.2 光滑函数22-26
• 2.2.3 光滑长度26-27
• 第三章 SPH 方法在流体动力学方面的理论研究27-41
• 3.1 拉格朗日型的纳威-斯托克斯方程27-28
• 3.2 纳威-斯托克斯方程组的 SPH 离散化28-29
• 3.3 流体动力学的 SPH 数值计算相关问题29-36
• 3.3.1 人工粘度29-30
• 3.3.2 物理粘度30-31
• 3.3.3 状态方程31-32
• 3.3.4 边界处理32-34
• 3.3.5 速度修正法34
• 3.3.6 时间积分34-36
• 3.4 粒子的相互作用36-39
• 3.4.1 近邻粒子搜索法36-39
• 3.4.2 粒子对的相互作用39
• 3.5 SPH 方法的特性及在流体模拟方面的优势39-41
• 第四章 SPH 在流体计算中的应用41-53
• 4.1 计算方法与策略41-42
• 4.2 程序框图42
• 4.3 算例验证42-44
• 4.4 不同粘度下油膜的微观变化数值模拟44-49
• 4.4.1 计算区域和初始环境的设定44-45
• 4.4.2 模拟结果与分析45-49
• 4.5 油膜在极端工况下变化的数值模拟49-53
• 4.5.1 计算区域和边界环境的设定49-50
• 4.5.2 模拟结果与分析50-53
• 第五章 结论与展望53-57
• 5.1 结论53-55
• 5.2 展望55-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间发表的论文与著作61
• 攻读硕士学位期间参加的学术会议61-62
• 致谢62

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本文编号：323126