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重载滚动轴承的仿真与优化设计

作　者: 徐弘毅
导　师: 张晨辉
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 重载 滚子轴承 多目标优化 遗传算法 有限元
分类号: TH133.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 258次
引　用: 2次
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内容摘要


大型重载滚动轴承作为重型机械的关键承载元件,工作在高应力,低转速,并且润滑条件苛刻的情况之下。对于大型重载滚动轴承的设计,缺少能够适应特殊工况要求的优化设计方法。本文以重载轴承为研究对象,建立了有限元仿真模型,并提出了基于多目标优化的大型重载滚动轴承的优化设计方法。有限元方法是当今工程领域常用的数值求解方法,能够较为准确快速的进行复杂结构的计算。本文采用有限元法对滚动轴承进行显式动力学分析,在ANSYS LS-DYNA中建立滚子轴承的三维实体有限元模型。选用弹性材料模型与塑性材料模型分别建模,计算了轻载以及重载之下滚动轴承的运动状态,轴承内部应力分布,以及轴颈的径向位移。讨论了不同材料模型对计算结果的影响,验证了采用塑性材料模型在重载轴承建模中的优越性,探讨了重载下引起轴承运动失效的原因和有待于通过优化设计解决的问题。本文针对两种常用的能够承受重载的滚动轴承进行了优化设计。采用的算法是约束多目标遗传算法(NSGA-II)。遗传算法具有计算速度较快,能够避免搜索领域受困于局部极值点等优点,并能够求得可行域中的非劣解集,实现多目标优化。首先对圆弧滚子轴承进行优化设计,以轴承内部几何尺寸作为设计变量,提出以静承载能力、疲劳寿命、磨损寿命以及修形滚子边缘高接触应力的缓解这四项作为优化设计的目标。之后根据实际的几何约束以及强度要求定义了变量取值范围的约束。在MATLAB优化工具箱中完成优化求解,从非劣解集中挑选出最优设计,并通过有限元建模以及动载荷计算公式等方式对最优设计进行验证。最后,本文对700TM重载操作机,对其主轴轴承进行了选型以及优化设计。选择圆锥滚子轴承作为优化设计的基础。以轴承内部几何尺寸作为设计变量,提出将静承载能力、疲劳寿命、磨损寿命以及挡边中最大应力值这四项作为优化设计的目标。根据几何结构以及强度的要求,估算出各个设计变量的取值范围,并求解出非劣解集。挑选出最优设计之后,根据有限元模型以及动载荷的计算来验证其可行性。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
第1章 绪论  7-15
  1.1 课题的来源以及研究的目的和意义  7
  1.2 滚动轴承行业的现状  7-9
  1.3 优化设计的发展状况  9-11
    1.3.1 机械传统设计以及机械优化设计的区别和联系  9
    1.3.2 优化设计理论的发展及现状  9-10
    1.3.3 遗传算法在优化中应用的发展状况  10-11
  1.4 滚动轴承仿真以及优化设计的研究现状  11-13
  1.5 本课题的特殊要求  13
  1.6 论文内容的安排  13-15
第2章 重载下滚动轴承的有限元仿真  15-30
  2.1 本章引论  15
  2.2 显式动力学的基本理论  15-17
  2.3 模型的建立  17-20
    2.3.1 滚动轴承的尺寸  17
    2.3.2 单元类型，材料选择和网格划分  17-20
    2.3.3 边界条件  20
  2.4 计算结果与讨论  20-28
  2.5 本章小结  28-30
第3章 圆弧滚子轴承的优化设计  30-60
  3.1 本章引论  30-31
  3.2 多目标优化的概念  31-32
  3.3 遗传算法的基本原理  32-33
  3.4 约束多目标遗传算法的原理  33-35
  3.5 轴承的几何结构以及设计变量  35-38
    3.5.1 圆弧滚子轴承的几何结构  35-37
    3.5.2 设计变量  37-38
  3.6 目标方程  38-44
    3.6.1 静承载能力  38-40
    3.6.2 疲劳寿命  40-41
    3.6.3 磨损寿命  41-42
    3.6.4 减少滚子边缘接触高应力  42-44
  3.7 约束  44-47
  3.8 计算结果  47-53
  3.9 结果讨论  53-59
  3.10 本章小结  59-60
第4章 圆锥滚子轴承的优化设计  60-81
  4.1 本章引论  60-61
  4.2 圆锥滚子轴承的几何结构以及设计变量  61-63
    4.2.1 圆弧滚子轴承的几何结构  61-63
    4.2.2 设计变量  63
  4.3 实际工况分析  63-66
    4.3.1 工况介绍以及轴承的选型  63-65
    4.3.2 轴承内部的受力分析  65-66
  4.4 目标方程  66-72
    4.4.1 静承载能力  67-68
    4.4.2 疲劳寿命  68
    4.4.3 磨损寿命  68-69
    4.4.4 挡边中的应力最大值  69-72
  4.5 变量约束条件的估算  72-74
  4.6 计算结果与讨论  74-80
  4.7 本章小结  80-81
第5章 结论与展望  81-83
  5.1 结论  81
  5.2 创新点  81-82
  5.3 展望  82-83
参考文献  83-87
致谢  87-88
本人简历以及硕士期间发表的学术论文与成果  88

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 转动机件 > 轴承 > 滚动轴承
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