[发明专利]一种利用有限元建模计算柔性轴承疲劳寿命的方法

说明书

技术领域

本发明涉及柔性轴承疲劳寿命计算方法领域，具体是一种利用有限元建模计算柔性轴承疲劳寿命的方法。

背景技术

谐波齿轮传动技术是上世纪50年代随航天技术的发展而产生的一种新的传动技术。谐波减速器主要由波发生器、柔轮、刚轮等组成。装有柔性轴承的凸轮波发生器是谐波传动主要采用的波发生器结构。

由于谐波齿轮传动的诸多独特优点，近几十年来，谐波减速器广泛应用在工业机器人、高档轿车、航空航天、光学仪器、通用机械等领域。柔性轴承作为谐波减速器的关键配套元件，柔性轴承的疲劳寿命是影响谐波减速器的寿命的重要因素之一。

柔性轴承不同于普通轴承，它的内外圈的壁厚薄，容易产生弹性变形，在未装入凸轮之前内外圈是圆形的。如图3所示，装上凸轮轴1之后，柔性轴承内圈2、柔性轴承外圈3变形为凸轮轴1廓线的等距曲线。

现有的柔性轴承疲劳寿命一般通过实验测得，这种方法成本高，实验时间长，且一般实验机对待测轴承的型号尺寸有限定，适用性不高。

而现有利用仿真计算疲劳寿命的方法都是以普通轴承为分析对象，这类轴承的内外圈在工作状态保持圆形，跟柔性轴承装配到凸轮情况套圈会发生大的弹性变形这一特点不同。现有的轴承仿真方法无法模拟柔性轴承装配到凸轮是套圈发生大的弹性变形这一过程，所以现有仿真方法不再适用于柔性轴承，目前也没有很好的柔性轴承仿真方法。

通过仿真方法预测柔性轴承的疲劳寿命，相比实验方法成本低，分析快，可适用不同型号的柔性轴承，缩短了柔性轴承设计开发周期，对谐波齿轮传动技术的推广应用和经济社会发展具有重要意义。

本发明提出一种利用有限元建模计算柔性轴承疲劳寿命的方法，如图1所示，利用link单元代替保持架，模拟保持架对滚动体的约束，由有限元仿真结果得到柔性轴承内部载荷分布，用于计算柔性轴承的当量滚动体载荷，从而计算柔性轴承的疲劳寿命。

发明内容

本发明为克服现有技术的上述缺陷，提出一种利用有限元建模计算柔性轴承疲劳寿命的方法，该方法可以模拟柔性轴承装配到凸轮这个过程，同时该方法利用link单元代替轴承保持架简化了有限元模型，相比实验方法成本低，分析快，可适用不同型号的柔性轴承。

本发明采用的技术方案为：一种利用有限元建模计算柔性轴承疲劳寿命的方法，其特征在于，该方法实现步骤如下:

步骤1)：UG(注：一种三维辅助设计软件)中画出柔性轴承和凸轮轴的几何立体模型，并且保存为bearing.stp格式；

步骤2)：打开ANSYS(注：一种有限元力学仿真软件)，导入bearing.stp几何立体模型，将内圈、外圈、滚动体、凸轮轴轴划分为六面体网格，并在凸轮轴-内圈，内圈-滚动体，外圈-滚动体之间设置接触关系；

步骤3)：添加link单元代替轴承保持架；

步骤4)：在有限元模型中施加载荷和约束；

步骤5)：将有限元模型导入到工程分析软件ANSYS中，进行多体接触分析；

步骤6)：导出ANSYS分析计算出的各个滚动体位置的法向接触反力，根据公式计算柔性轴承的当量滚动体载荷；

步骤7)：根据L-P寿命理论(注：一种由Lundberg和Palmgren提出的计算轴承寿命的理论)，计算柔性轴承的寿命。

进一步的，所述的添加link单元代替轴承保持架，如图1、2所示，具体步骤如下：

步骤①：在每个滚动体的球心位置生成3个节点，1号滚动体生成的三个节点，节点名称可以称为1-1，1-2，1-3；2号滚动体生成的三个节点称为2-1，2-2，2-3…；柔性轴承滚动体个数为23，故共生成69个节点；

步骤②：上述生成的节点中，对相同位置的节点的平动自由度进行耦合，相同位置的节点的转动自由度可以不同；节点1-1、节点1-2、节点1-3的X、Y、Z三个方向的平动自由度相同，但转动自由度可以不同；

步骤③：将相邻的滚动体之间的节点相连形成link单元(5)，连接方式为节点1-1与节点2-3相连，节点2-1与节点3-3相连…节点22-1与节点23-3相连，最后节点23-1与节点1-3相连，这些形成了23个link单元；

步骤④：将球心节点与球表面的节点建立多点约束MPC，使球表面节点的自由度与球心节点自由度相同，滚动体1’(4)表面的节点与节点1-2建立多点约束，滚动体2’(4)表面的节点与节点2-2建立多点约束…。

本发明的原理在于：