1、畢業(yè)論文答辯,匯報(bào)人：xxx 匯報(bào)時(shí)間：2018年6月,基于ANSYS的深溝球軸承接觸應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì),專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（卓越） 班級(jí)： 機(jī)電工程學(xué)院,選題背景與意義,目 錄,CONTENTS,研究方法與思路,研究成果與應(yīng)用,論文不足與展望,選題背景與意義,01 PART,滾動(dòng)軸承（bearing）是當(dāng)代機(jī)械裝備中必不可少的一種零部件，普遍使用于現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。 它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)（friction coefficient），并保證其回轉(zhuǎn)精度（accuracy）。,選題背景與意義,選題背景與意義,軸承接觸應(yīng)力研究的選題背景,由于復(fù)雜多變

2、的受力狀態(tài)使軸承極易產(chǎn)生失效，軸承性能的好壞直接影響整個(gè)機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，由滾動(dòng)軸承失效引起的機(jī)械故障約占所有機(jī)械故障的百分之三十。為了研究軸承損壞的內(nèi)在原因，對(duì)軸承進(jìn)行理論研究顯得至關(guān)重要。其中接觸應(yīng)力的計(jì)算是軸承性能分析的第一步，只有首先清楚軸承的接觸應(yīng)力情況，才能對(duì)軸承剛度、壽命等參數(shù)進(jìn)行分析。因此對(duì)滾動(dòng)軸承接觸應(yīng)力、壽命等性能參數(shù)的研究具有重要的意義。,選題背景與意義,滾動(dòng)軸承接觸應(yīng)力研究的發(fā)展趨勢(shì),1881年Hertz最早研究了玻璃透鏡在使它們相互接觸的力作用下發(fā)生的彈性變形，開(kāi)啟了人類對(duì)于接觸問(wèn)題的探索。 隨著不斷深入的研究，他總結(jié)出了著名的Hertz彈性接觸理論。

3、Hertz彈性接觸理論誕生以后，很快被應(yīng)用在滾動(dòng)軸承受力分析中，該理論成功解決了滾動(dòng)軸承接觸應(yīng)力和變形的計(jì)算問(wèn)題，由Hertz理論可得到與實(shí)際相符的結(jié)果。,選題背景與意義,滾動(dòng)軸承接觸應(yīng)力研究的發(fā)展趨勢(shì),近代以來(lái)隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種有限元分析軟件也相繼出現(xiàn)在人們面前。人們對(duì)于接觸問(wèn)題的研究也不再只能依靠復(fù)雜的函數(shù)解析計(jì)算，基于電子計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算蓬勃發(fā)展，逐步代替數(shù)值解析計(jì)算法成為研究接觸問(wèn)題的新方法。 有限元軟件的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者不必掌握非常專業(yè)的知識(shí)，又避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的計(jì)算。其中的ANSYS軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大應(yīng)用廣泛的大型通用有限元分析軟件。使用該軟件，能夠大量縮減科研經(jīng)費(fèi)，

4、減短研發(fā)時(shí)間，已逐漸成為分析滾動(dòng)軸承的有效手段。,研究方法與思路,02 PART,研究方法與思路,本論文的研究思路,本文首先介紹 Hertz 接觸理論，詳細(xì)推導(dǎo)本文后續(xù)計(jì)算所用到的有關(guān)公式。并以某型號(hào)深溝球軸承為例，假設(shè)不同的工況，利用 Hertz 接觸理論的有關(guān)公式求出其接觸應(yīng)力。 隨后使用仿真軟件ANSYS對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行應(yīng)力仿真研究，通過(guò)仿真軟件模擬進(jìn)行試驗(yàn)，獲得軸承各部位接觸應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。通過(guò)與 Hertz 理論值對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者相差很小，驗(yàn)證了理論公式的正確性，同時(shí)也說(shuō)明有限元分析法得到的結(jié)果具有很高的可靠性。 文章最后以軸承的接觸應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)對(duì)某型號(hào)的軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用正交試驗(yàn)法

5、確定最佳的設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的軸承接觸應(yīng)力比優(yōu)化前明顯減小，基本達(dá)到了軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)期，為軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究提供了理論依據(jù)。,研究成果與應(yīng)用,03 PART,研究成果與應(yīng)用,緒論,簡(jiǎn)要介紹我國(guó)軸承行業(yè)發(fā)展歷程 和滾動(dòng)軸承接觸理論發(fā)展過(guò)程。,滾動(dòng)軸承的接觸力學(xué)分析,簡(jiǎn)要介紹四種軸承力學(xué)模型、對(duì)赫茲接觸理論進(jìn)行推導(dǎo)并計(jì)算出某型號(hào)軸承在給定工況下的接觸應(yīng)力大小等。,滾動(dòng)軸承接觸問(wèn)題的有限元分析,概述仿真軟件ANSYS、對(duì)滾動(dòng)軸承 接觸情況進(jìn)行靜力學(xué)仿真，得到應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。,滾動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì),概述正交實(shí)驗(yàn)法、以接觸應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)某型號(hào)滾動(dòng)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。,本論文主要有

6、以下四部分內(nèi)容：,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,成果一：利用Hertz彈性接觸理論對(duì)軸承接觸應(yīng)力情況進(jìn)行理論分析，得到了論文計(jì)算所用到的軸承負(fù)荷分布、接觸應(yīng)力等公式。 Hertz接觸理論：Hertz彈性接觸理論是對(duì)向心滾動(dòng)軸承進(jìn)行接觸應(yīng)力分析的基本理論之一，由德國(guó)科學(xué)家Hertz于1881年提出。對(duì)于滾動(dòng)體和套圈之間的彈性接觸問(wèn)題，Hertz通過(guò)假設(shè)接觸區(qū)域是規(guī)則的橢圓形，接觸區(qū)域的應(yīng)力分布為規(guī)則的半橢球體，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)積分變換，得到了計(jì)算接觸區(qū)域長(zhǎng)短半軸、接觸應(yīng)力和接觸應(yīng)變等參數(shù)的數(shù)學(xué)公式。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,成果二：制作了用于計(jì)算軸承負(fù)荷分布、接觸應(yīng)力等參數(shù)的

7、電子表格，大大減小了計(jì)算量。 電子表格Excel是比較常用 的一種數(shù)據(jù)處理工具之一，它能 夠利用給定的計(jì)算公式完成一些 較為復(fù)雜的運(yùn)算。相比于C語(yǔ)言 的編程，利用電子表格法進(jìn)行計(jì) 算可以使人們不必掌握高深的電 腦編程知識(shí)就可以完成復(fù)雜的計(jì) 算過(guò)程，顯得更加快捷方便。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,成果三：建立了正確合理的16006深溝球軸承三維實(shí)體模型。 本文的建模過(guò)程利用 SOLIDWORKS 軟件， 得到的結(jié)果如右圖：,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,成果四：利用ANSYS軟件對(duì)軸承接觸情況進(jìn)行了仿真分析，獲得軸承接觸應(yīng) 力和彈性趨近量分布圖。并和Hertz理 論解進(jìn)行對(duì)比，

8、兩者誤差不大，驗(yàn)證了 自制計(jì)算程序的正確性和仿真結(jié)果的可 靠性。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,有限元分析：有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是一種高效能、常用的數(shù)值計(jì)算方法。在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到，使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，使用計(jì)算機(jī)輔助求解。 ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，可以分析結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等物理場(chǎng)。本課題研究所用到的是靜力結(jié)構(gòu)分析，用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,成果五：以軸承接

9、觸應(yīng)力為目標(biāo)變量對(duì)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的組合其最大接觸應(yīng)力小于正交試驗(yàn)的一千多種組合，基本達(dá)到了對(duì)軸承接觸應(yīng)力的優(yōu)化。 優(yōu)化時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)均符合相應(yīng)的國(guó)標(biāo)，各個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值是綜合NSK、SKF、CW等多家國(guó)內(nèi)外軸承企業(yè)所生產(chǎn)的16006型號(hào)軸承所制定的。 能夠從很大程度上代表最優(yōu)設(shè)計(jì)的16006軸承參數(shù)，也保 證了我們正交試驗(yàn)優(yōu)化的可靠性。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,正交試驗(yàn)法：正交試驗(yàn)法是用“正交表”來(lái)安排和分析多因素試驗(yàn)的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。它能夠在很多的試驗(yàn)條件中，選出少數(shù)幾個(gè)代表性強(qiáng)的試驗(yàn)條件，并通過(guò)這幾次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，找到最優(yōu)的方案。例如需要做一個(gè)有五個(gè)影響因素并且每

10、個(gè)影響因素里又有四個(gè)可能的取值的試驗(yàn)，理論上講就需要做45次試驗(yàn)，但如果采用正交試驗(yàn)法，就可以把試驗(yàn)次數(shù)減少至16次，顯然大大減少了工作量。正交試驗(yàn)法實(shí)際上是優(yōu)化法的一種，它不僅可以解決多因素選優(yōu)問(wèn)題，而且還可以用來(lái)分析各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小程度。因此，它已從優(yōu)選法中獨(dú)立出來(lái)，自成系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)次數(shù)少,效果好,方法簡(jiǎn)單,使用方便，效率高。,研究成果與應(yīng)用,本論文主要研究成果：,根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果我們可以得到優(yōu)化組合： 鋼球直徑6.5mm、鋼球個(gè)數(shù)14個(gè)、內(nèi)圈溝道 半徑3.35mm、外圈溝道半徑3.41mm、額定動(dòng) 載荷10600N。 可以看出，滾動(dòng)體數(shù)量對(duì)于接觸應(yīng)力的影響 最為顯著，鋼球直徑次之。通過(guò)計(jì)算上述最優(yōu)組 合的接觸應(yīng)力為2454.966MPa，小于上述16種 方案，證明結(jié)論是合理的。,論文不足與展望,04 PART,論文不足與展望,本論文不足之處：,（1）自制接觸計(jì)算工具不夠完善，對(duì)于接觸應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中仍需手動(dòng)查表。 （2）對(duì)于ANSYS網(wǎng)格的劃分不夠細(xì)化，受電子計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)的限制。 （3）