河南科技大学答辩.pptx

毕业论文答辩汇报人：xxx 汇报时间：2018年6月基于ANSYS的深沟球轴承接触应力分析与优化设计专业：机械设计制造及其自动化（卓越）班级：机电工程学院选题背景与意义01目 录CONTENTS研究方法与思路02研究成果与应用03论文不足与展望04选题背景与意义01PART 滚动轴承（bearing）是当代机械装备中必不可少的一种零部件，普遍使用于现代社会的各个领域。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数（friction coefficient），并保证其回转精度（accuracy）。选题背景与意义选题背景与意义轴承接触应力研究的选题背景 由于复杂多变的受力状态使轴承极易产生失效，轴承性能的好坏直接影响整个机器的正常运转。有关统计数据表明，由滚动轴承失效引起的机械故障约占所有机械故障的百分之三十。为了研究轴承损坏的内在原因，对轴承进行理论研究显得至关重要。其中接触应力的计算是轴承性能分析的第一步，只有首先清楚轴承的接触应力情况，才能对轴承刚度、寿命等参数进行分析。因此对滚动轴承接触应力、寿命等性能参数的研究具有重要的意义。选题背景与意义滚动轴承接触应力研究的发展趋势 1881年Hertz最早研究了玻璃透镜在使它们相互接触的力作用下发生的弹性变形，开启了人类对于接触问题的探索。随着不断深入的研究，他总结出了著名的Hertz弹性接触理论。Hertz弹性接触理论诞生以后，很快被应用在滚动轴承受力分析中，该理论成功解决了滚动轴承接触应力和变形的计算问题，由Hertz理论可得到与实际相符的结果。选题背景与意义滚动轴承接触应力研究的发展趋势 近代以来随着电子计算机技术的迅速发展，各种有限元分析软件也相继出现在人们面前。人们对于接触问题的研究也不再只能依靠复杂的函数解析计算，基于电子计算机的模拟计算蓬勃发展，逐步代替数值解析计算法成为研究接触问题的新方法。有限元软件的出现使设计者不必掌握非常专业的知识，又避免了复杂数学公式的计算。其中的ANSYS软件是一个功能强大应用广泛的大型通用有限元分析软件。使用该软件，能够大量缩减科研经费，减短研发时间，已逐渐成为分析滚动轴承的有效手段。研究方法与思路02PART 研究方法与思路本论文的研究思路 本文首先介绍 Hertz 接触理论，详细推导本文后续计算所用到的有关公式。并以某型号深沟球轴承为例，假设不同的工况，利用 Hertz 接触理论的有关公式求出其接触应力。随后使用仿真软件ANSYS对滚动轴承进行应力仿真研究，通过仿真软件模拟进行试验，获得轴承各部位接触应力和应变云图。通过与 Hertz 理论值对比发现两者相差很小，验证了理论公式的正确性，同时也说明有限元分析法得到的结果具有很高的可靠性。文章最后以轴承的接触应力为目标函数对某型号的轴承进行优化设计，采用正交试验法确定最佳的设计方案。结果表明经过优化后的轴承接触应力比优化前明显减小，基本达到了轴承优化设计的预期，为轴承优化设计的研究提供了理论依据。研究成果与应用03PART 研究成果与应用1324绪论简要介绍我国轴承行业发展历程和滚动轴承接触理论发展过程。滚动轴承的接触力学分析简要介绍四种轴承力学模型、对赫兹接触理论进行推导并计算出某型号轴承在给定工况下的接触应力大小等。滚动轴承接触问题的有限元分析概述仿真软件ANSYS、对滚动轴承接触情况进行静力学仿真，得到应力和应变云图。滚动轴承优化设计概述正交实验法、以接触应力为目标函数，运用正交实验法对某型号滚动轴承进行优化设计。本论文主要有以下四部分内容：研究成果与应用本论文主要研究成果：成果一：利用Hertz弹性接触理论对轴承接触应力情况进行理论分析，得到了论文计算所用到的轴承负荷分布、接触应力等公式。Hertz接触理论：Hertz弹性接触理论是对向心滚动轴承进行接触应力分析的基本理论之一，由德国科学家Hertz于1881年提出。对于滚动体和套圈之间的弹性接触问题，Hertz通过假设接触区域是规则的椭圆形，接触区域的应力分布为规则的半椭球体，经过复杂的数学积分变换，得到了计算接触区域长短半轴、接触应力和接触应变等参数的数学公式。研究成果与应用本论文主要研究成果：成果二：制作了用于计算轴承负荷分布、接触应力等参数的电子表格，大大减小了计算量。电子表格Excel是比较常用的一种数据处理工具之一，它能够利用给定的计算公式完成一些较为复杂的运算。相比于C语言的编程，利用电子表格法进行计算可以使人们不必掌握高深的电脑编程知识就可以完成复杂的计算过程，显得更加快捷方便。研究成果与应用本论文主要研究成果：成果三：建立了正确合理的16006深沟球轴承三维实体模型。本文的建模过程利用 SOLIDWORKS 软件，得到的结果如右图：研究成果与应用本论文主要研究成果：成果四：利用ANSYS软件对轴承接触情况进行了仿真分析，获得轴承接触应力和弹性趋近量分布图。并和Hertz理论解进行对比，两者误差不大，验证了自制计算程序的正确性和仿真结果的可靠性。研究成果与应用本论文主要研究成果：有限元分析：有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是一种高效能、常用的数值计算方法。在科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，可以分析结构、流体、电场、磁场、声场等物理场。本课题研究所用到的是静力结构分析，用来求解外载荷引起的位移、应力和力。研究成果与应用本论文主要研究成果：成果五：以轴承接触应力为目标变量对轴承进行优化设计，经过优化后的组合其最大接触应力小于正交试验的一千多种组合，基本达到了对轴承接触应力的优化。优化时的各项参数均符合相应的国标，各个设计变量的取值是综合NSK、SKF、CW等多家国内外轴承企业所生产的16006型号轴承所制定的。能够从很大程度上代表最优设计的16006轴承参数，也保证了我们正交试验优化的可靠性。研究成果与应用本论文主要研究成果：正交试验法：正交试验法是用“正交表”来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法。它能够在很多的试验条件中，选出少数几个代表性强的试验条件，并通过这几次试验的数据，找到最优的方案。例如需要做一个有五个影响因素并且每个影响因素里又有四个可能的取值的试验，理论上讲就需要做45次试验，但如果采用正交试验法，就可以把试验次数减少至16次，显然大大减少了工作量。正交试验法实际上是优化法的一种，它不仅可以解决多因素选优问题，而且还可以用来分析各因素对试验结果影响的大小程度。因此，它已从优选法中独立出来，自成系统。这种方法的优点是试验次数少,效果好,方法简单,使用方便，效率高。研究成果与应用本论文主要研究成果：根据数据处理结果我们可以得到优化组合：钢球直径6.5mm、钢球个数14个、内圈沟道半径3.35mm、外圈沟道半径3.41mm、额定动载荷10600N。可以看出，滚动体数量对于接触应力的影响最为显著，钢球直径次之。通过计算上述最优组合的接触应力为2454.966MPa，小于上述16种方案，证明结论是合理的。论文不足与展望04PART 论文不足与展望本论文不足之处：（1）自制接触计算工具不够完善，对于接触应力计算过程中仍需手动查表。（2）对于ANSYS网格的划分不够细化，受电子计算机性能和计算时间不能过长的限制。（3）对轴承接触应力的有限元分析只涉及静力学仿真，更为复杂的动力学仿真没有研究。（4）对轴承接触应力的优化设计中，本文得到的优化结果仍不是该轴承的理论最优设计。论文不足与展望展望：轴承虽小，却涉及到方方面面的知识。本文的研究意义十分重要，但是受限于各种原因研究深度还是达不到。这就需要人们更加深入的研究。THANKS感谢恩师