风力机轴承的有限元分析

目录中文摘要 1英文摘要 21引言 31.1课题研究背景 31.2风电轴承简介 41.3自动调心滚子轴承及风力发电机主轴轴承研究 51.4本文主要研究内容 72轴承分析应用概述 82.1有限元分析技术基础概念 82.2ANSYS软件简介 103接触分析 123.1概述 123.2一般接触分类 123.3ANSYS接触分析功能 133.4面-面的接触分析 154轴承接触分析 174.1轴承的导入 174.2轴承的有限元动态接触分析 184.2.1划分网格 184.2.2创建接触对 184.2.3施加边界条件和载荷 194.2.4计算结果分析 204.3理论计算及验证 254.3.1Hertz接触理论 25总结 28致谢 29参考文献 30摘要轴承是风力发电机传动系统重要的构成部件，所以对其进行结构优化设计和性能分析是非常必要的。通过查阅大量关于轴承分析的资料，对风力机轴承的工作特性做了一定的了解。由于受力状况以及轴的变形的影响，风力机的主轴轴承必须有良好的调心性能，因而调心滚子轴承作为主要的主轴轴承。本文在参考1.5MW风机主轴轴承设计参数的基础上，在三维绘图软件SOLIDWORKS中标准零件库中导出双排调心滚子轴承的实体模型，转换格式后然后导入到ANSYS中，利用有限元分析软件ANSYS对其进行静力分析，模拟轴承在实际工况下轴承整体以及内外圈的应力及应变得出其应力云图。得出的结果与理论计算值的比较，验证有限元分析的准确性。该研究结果对风力机轴承的设计、改进和优化有一定的参考价值。关键词：风力发电机；主轴轴承；调心滚子轴承；有限元分析；接触应力Abstract：Bearingsaretheimporantcomponentpartsinthedrivetrainofthewindturbine,soitisextremelyessentialtocarryonstructuraloptimizationdesignandperformanceanalysis.Checkoutalotofinformationonbearingsanalysisforwindbearings,hasmadecertainunderstandingtotheanemometergearoperationalfactor.Asforthesituationbyforceanddeformationoftheshaft,windturbinespindlebearingsmusthavegoodself-aligingproperties,thusaligningrollerbearingsasthemainspindlebearings.Inthispaper,onthebasisof1.5MWwindturbinespindlebearingdesignparameters,thedoublerowsphericalrollerbearingwereexportedfromtheSolidworksofthethree-dimensionaldrawingsoftware,thenimportedintotheANSYS.ThenusingANSYSanalysisitsstaticforce.Simulatethewholebearingaswellastheinnerandouterringsofthebearingactualstressconditionsandresultsofitsstressclould.Thestressintensityiscomparedondifferentmeshingpoints,thestressdistributionisidentified.Theresearchresulthassomereferencevalueontheimprovementandtheoptimizationdesignofthebearing.：WindPowerGenerating；SpindleBearings；SphericalRollerBearings；FiniteElementAnalysis；ContactStress1引言1.1课题研究背景现代社会和经济的发展越来越离不开能源。从能源发展战略需求来看，因为化石燃料是有限性的、不可再生的，并且使用化石燃料生产会产生环境污染，所以要寻找一条新的、可持续发展的能源道路，以满足生产和生活的需要。开发利用洁净的、无污染的、可再生的能源越来越受到科研人员的重视。在新型能源里，利用风能发电是开发方案之一。目前，尽管世界各国的风力发电量还不到世界总耗电量的%，但随着风力发电装机容量的快速发展和风力发电机技术的成熟和不断完善，风力发电必将成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。从全球范围来看，风力发电己经取得了很大、很快的发展。根据相关部门的统计，全球的风力机容量达到了。在西方的一些欧美国家，如美国、德国、丹麦、西班牙等把风力发电的研究创新、生产与应用列为重点研究项目，相继加大了人力及资金的投入。现在风力发电机的研究，属于交叉学科研究，涉及到空气动力学、电力电子技术、机械设计及电子通信技术等方面，研究目的是引入新技术、新型材料、新型电机以优化结构、提高性能和开发新类型发电机，发展建立一个风能资源测量和评估的计算机仿真系统，并利用自动化控制技术，提高单个和多个风力发电机的效率和可靠性。目前，德国是世界上最大的风力发电国家，从上个世纪九十年代，其风力发电量一直持续增长，装机容量已达到3000MW。并且德国的风力机研制能力强，技术水平处于世界前列，其国内有两家世界上著名的风机制造商。美国在加利福尼亚洲建立了大量的风力发电机，其发电量大约占全美发电量的1%。棕榈泉风电场大约有4000台风机，是美国最大的风力发电厂，装机容量为50万kW,发电量和一个大型火力发电厂相当。丹麦是第一个使用风力发电的国家，风力发电的规模在世界排第三，其风力发电量已占全国总发电量的3%，总的装机容量为1450MW。丹麦风力发电机研究水平和制造能力位于世界前列，丹麦有六家世界著名的风力机制造商。此外，西班牙、印度、意大利等国家的风力发电规模也在世界前列。我国幅员辽阔，风能资源丰富，发展风力发电机前景广阔、前途光明。据不完全统计，可利用的风能达25.3亿MW,特别是以东北、华北、西北构成的大面积陆地型风能资源丰富区，应拓宽风力发电机的应用市场。我国在20世纪80年代初开始风力发电技术的研究，并且通过国内科研人员的努力，研发了小型风力发电机（额定容量为100W〜10kW)，并已经有一定规模的生产，取得了广泛的应用。在“九五”计划中，国家大力投资进行风电的技术研究和建设、政策的规划。在国家的大力支持下，经过科研人员的努力，相继研制出了额定功率为250KW、300KW、600KW的风电机组，并逐步实现商业量产化。到目前为止，全国共建立了近50个风电场，总装机容量达46万KW。新疆达坂城风电场是目前国内最大的风电场，总装机容量为575MW;广东南澳风电场的装机容量为42.8MW。虽然我国在风力发电的研制上取得了一定的成绩，但是从发展速度和制造生产上看，我国的风电机和欧美国家相比还有很大的差距，所以风力机存在一定的质量问题，再加上风力机的运行环境相对比较恶劣，常常发生零部件失效，如风力机中的叶片折断、齿轮箱的轮齿折断、风力机轴承的损坏等。1．2风电轴承简介风力发电机用轴承主要包括：风机主轴轴承、偏航轴承、变浆轴承、变速箱轴承、发机轴承等，轴承的类型主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承、双列圆锥滚子轴承等。风能工业属于高技术行业，它的发展存在一定的技术风险性。目前，国内很多的先进技术都是由国外引进的。德国等欧洲国家之所以能位居世界领先地位，在于它拥有世界上领先的风机开发技术和配套产品的能力。但反观国内，虽然我们的配套企业发展得很快，但还都是刚刚起步。洛轴和瓦轴作为国内轴承行业的领军企业，致力于轴承的研究和生产制造，对风力发电机的偏航和变浆轴承有了一定的生产能力，但是从总体上讲，国内的风电轴承企业无论是生产能力还是所生产轴承的性能方面都较国外有很大的差距。轴承在风机上很多部位都有应用，以下为风力发电机中用到的大型轴承：·主轴轴承：根据不同的设计类型和使用工况，风机转子主轴可以使用一个轴承或者两个轴承，多采用自动调心滚子轴承或圆锥滚子轴承，其中调心滚子轴承应用较多，主轴的偏心角度一般为。·变浆轴承：变浆轴承用于连接轮毂和叶片，并随着风向的变化来改变叶片的角度，其结构为双列四点接触球轴承，有带内齿和无齿两种结构。转动范围为，正常在范围内，受倾覆力矩大。·偏航轴承：偏航轴承是风机追踪风向调整迎风面的保证，转动范围为，在范围上转动频率最高，上面机舱重量可达近百吨，且要承受倾覆力矩，高刚度的轴承结构和设计良好的密封性能，良好的防腐蚀性能是关键，轴承结构采用四点接触球轴承。·转子主轴轴承(图1．1)支撑叶轮和主轴并将风能转矩传输至齿轮箱，因此主轴轴承承受的载荷非常大，并且因风经常变化，作用在主轴上的负载和转速变动也很大。在起动风速以下的情况下，处于空转状态下的转子主轴轴承进行低速、轻负载旋转。由于上述原因及主轴较长、自重大、容易变形等原因，风机主轴轴承多选用调心滚子轴承。图1.1由于风机大部分安装在偏远地区，工作环境恶劣，而且维修极不方便，因此，以上所述轴承都必须具有高可靠性，一般风机寿命为20年，因此主轴轴承寿命要大于20年。风机轴承国产化可提高国内轴承工业的设计应用水平，缩小与国外先进水平的差距，促进国内轴承工业的发展和技术进步，另一方面，可以降低风电成本，加快我国新能源和可再生能源的发展。1．3自动调心滚子轴承及风力发电机主轴轴承研究由于风力发电的兴起，有关风力发电方面的研究也日益增多，但是大部分研究主要针对叶片(控制、强度分析等)，变电系统的控制传输以及发电机相关方面的研究等，对风力发电机主轴轴承的研究很少。有关自动调心滚子轴承的研究有不少，风力发电机主轴轴承的研究可以参考这些研究成果。由于双馈式风力发电机主轴轴承结构大多采用双列自动调心滚子轴承结构，这种结构综合了滚子轴承的高承载能力和调心球轴承的可调心性能，对于该类型的轴承国内外研究较多。Klecknert对自动调心滚子轴承进行了分析和软件设计，重点考虑了在给定温度下轴承运行时的力学性能，所编制软件SPHERBEA(SPHERERICALBEARINGANALYSIS)可以进行轴承在轴向、径向和联合载荷下的分析，分析还可以考虑弹流润滑、滚子间隙、滚子速度等。Shelofast分析了施加外载荷时的非理想自动调心滚子轴承接触问题，载荷施加在滚动体上，接触位移可由平衡公式得出，滚子用多个薄片代替来分析每一片的接触。并与APMWinBear专用软件的模拟做了对比，可确定轴承出现故障的位置。Timken公司的Zantopulos，Harry,Russell，Joel对双列的圆锥滚子轴承和自动调心滚子轴承做了实验，采用的轴承直径均为110mm，施加22％的额定动态径向载荷，结果显示圆锥滚子轴承的寿命要比自动调心滚子轴承的寿命大的多，但这跟IS0281标准不一致。日本NSK公司的Ueda，Tohru叙述了自动调心滚子轴承表面失效的机理，指出由于滚动体和滚道之间的摩擦产生的切应力严重影响了轴承的寿命。日本NTN技术研发中心的Akamatsu,Yoshinobut在前人研究径向载荷和联合载荷下的自动调心滚子轴承数值分析以及实验的基础上，提出了一种类似静态分析方法，对对称型和非对称型自动调心滚子轴承做了研究，并指出在润滑良好的情况下对称型自动调心滚子轴承的扭矩大于非对称型，但是在润滑不良的情况下却比非对称型的低。由于自动调心滚子轴承可以自动调心并具有高的承载能力因此得到了广泛的应用，和深沟球轴承相比，自动调心滚子轴承的动态特性要复杂的多，接触副上的受力也不相同，这将导致轴向力在滚道上的不平衡和角度的变化。Cao建立了自动调心滚子轴承的动态模型，考虑了滚道的自由度，这种模型可以定量地分析轴的偏斜量，为要求高的轴承安装提供了指导。在文献中Cao指出了当载荷较小的时候自动调心滚子轴承中滚子和滚道为点接触，当载荷作用在轴承上接触区域长度超过点接触的极限时为线接触，该极限为接触区域长轴的长度大于滚子的有效长度。Royston和Basdgan为评定自动调心滚子轴承刚度系数建立了理论模型，但该模型只能进行定性的分析；在考虑内部几何形状和预加载荷的情况下应用矢量和矩阵的方法描述了轴承圈之间的全部弹性变形，提供了一个可选择的方法进行内、外圈刚度系数的模拟，Bercea的模型主要是静态的模型，没有考虑滚子和滚道在动态非线性状况下自动调心滚子轴承的性能。对于风力发电机主轴轴承的研究主要有：Wildinson设计了检测平台，可以检测风力发电机主轴轴承及齿轮箱等，通过对扭矩、速度、振动等信号的检测可以预测轴承及其他部件的工作状况。作为风力发电机的重要组成部件，轴承经常受到电击的危险，Paolone，Napolitano等提出了数值和解析的模型来计算风机主轴轴承的电阻抗，并设计了按比例缩小的试验平台进行测试，得到良好的效果。该方法为大型风力发电机主轴轴承试验提供了参考。陈长征、孙长城等人提出了风机轴承可能出现的故障，并引用应力波技术来检测低速轴承的故障。首先，他们以SKF23068CC／W33为例，进行了三维建模，模拟了滚道内圈和外圈缺陷下应力、应变和接触区载荷分布情况，并和无故障情况下的轴承进行了比较。通过对应力波的分析得出结论：小波分析理论可以引用到低速轴承的诊断。自从自调心滚子轴承出现以来一直没有人提出修形的方法，以上文献中对于自调心滚子轴承的研究都没有涉及到滚子或滚道的修形设计，由滚子类轴承凸度设计知识知，对轴承滚子或者滚道进行适当的设计应该能效降低最大接触应力，故有必要研究修改滚子、滚道的密合度以及采用变曲率修形的方法来降低自调心滚子轴承最大接触应力，提高轴承寿命的设计方法。1.3本文主要研究内容通过查阅大量关于轴承分析的资料，对风力机轴承的工作特性做了一定的了解。由于受力状况以及轴的变形的影响，风力机的主轴轴承必须有良好的调心性能，因而调心滚子轴承作为主要的主轴轴承。本文在参考1.5MW风机主轴轴承设计参数的基础上，在三维绘图软件SOLIDWORKS中标准零件库中导出双排调心滚子轴承的实体模型，转换格式后然后导入到ANSYS中，利用有限元分析软件ANSYS对其进行静力分析，模拟轴承在实际工况下轴承整体以及内外圈的应力及应变得出其应力云图。得出的结果与理论计算值的比较，验证有限元分析的准确性。该研究结果对风力机轴承的设计、改进和优化有一定的参考价值。2轴承分析应用概述2.1有限元分析技术基础概念有限元分析（)是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。其基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件，从而得到问题的解。有限元法求解一个问题是要求解联立代数方程组，而不是解微分方程。求解得到的这些数值解给出的是连续体中多个离散点的未知量的近似值。用有限元法可以解决结构分析、热传导、流体力学的流场分析、电磁有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下。)物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称物体离散化。作单元剖分离散后，单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物,而是同材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。（2）单元特性分析选择位移模式。在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法便于实现计算程序化，因此，在有限单元法中位移法应用最多。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。对于一般情况，我们就用坐标变量的简单函数来表示。分析单元的力学性质。由已知的单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。计算等效节点力。物体离散化后，假设力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。（3）单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程，求解未知节点位移有限元方程式。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。以下是有限元求解问题的基本步骤。第一步：问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵)。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元节点进行，状态变量及其导数连续性建立在节点处。第六步：联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。总而言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2.2ANSYS软件简介ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等工业领域。鉴于ANSYS软件在本文的计算分析中的地位十分重要，下面将对其进行简单的介绍。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，求解计算模块和后处理模块。前处理模块主要包括参数定义和建立有限元模型。用户可以方便地构造有限元模型。该模块用于定义求解所需的数据，用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖分、控制节点单元，以及定义藕合和约束方程等。通过运行一个系统模块，可以预测求解过程所需的硬件大小及内存。求解计算模块对所建立的有限元模型进行力学分析和有限元求解。前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在该模块中，用户可以定义分析类型和分析选项、施加载荷和载荷步选项，然后开始有限元求解。主要包括以下子模块：结构静力学分析、结构动力学、结构非线性、动力学分析、热分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可用于查看整个模型或选定的部分模型在某一子步或时间步的求解结果。利用该模块可以获得各种应力场、应变场及温度场等的等值线图形显示、变形形状显示以及检査和解释分析的结果列表。可将计算结果以彩色等值线、矢量、粒子流迹、透明及半透明等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。该模块可以通过便捷的用户界面获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算，这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流体，输出形式有图形显示和数据列表两种。在交互式的处理过程中，图形可联机输出到显示设备上或脱机输出到绘图仪上。由于后处理阶段完全同ANSYS前处理和求解阶段集成在一起，故求解结果已保存到数据库中且能立即查看。ANSYS软件提供了一百种以上的单元类型，可供工程中的各种结构和材料来选择。ANSYS软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。ANSYS的技术特点如下：可实现多场及多场耦合功能；实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型FEA软件；具有流场优化功能的CFD软件；融前后处理与分析求解于一体；强大的非线性分析功能；快速求解器；可与大多数的CAD软件集成并有接口；具有智能网格划分;具有多层次多框架的产品系列。ANSYS软件的强大功能，为其在工程领域的广泛应用提供了良好的基础，也为本文中齿轮的动态分析提供了便利。3接触分析3.1概述接触问题是一种高度非线性行为，需要较多的计算机资源。为了进行切实有效的计算，理解问题的物理特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：其一，在用户求解问题之前，用户通常不知道接触区域。随载荷、材料、边界条件和其它因素的不同，表面之间可以接触或者分开，这往往在很大程度上是难以预料的，并且还可能是突然变化的。其二，大多数的接触问题需要考虑摩擦作用，有几种摩擦定律和模型可供挑选，它们都是非线性的。摩擦效应可能是无序的，所以摩擦使问题的收敛性成为一个难点。注意--如果在模型中，不考虑摩擦，且物体之间的总是保持接触，则可以应用约束方程或自由度藕合来代替接触。约束方程仅在小应变分析(NLGEOM，off)中可用。见《ANSYSModelingandMeshingGuide》中的§12，CouplingandConstraintEquations。除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等。3.1.1显式动态接触分析能力除了本章讨论的隐式接触分析外，ANSYS还在ANSYS/LS-DYNA中提供了显式接触分析功能。显式接触分析对于短时间接触-碰撞问题比较理想。关于ANSYS/LS-DYNA的更多的信息参见《ANSYS/LS-DYNAUser"sGuide》。3.2一般接触分类接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触。在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，(与它接触的变形体相比，有大得多的刚度)。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，可以假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。柔体─柔体的接触是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体(有相似的刚度)。柔体─柔体接触的一个例子是栓接法兰。3.3ANSYS接触分析功能ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，面─面接触。每种接触方式使用不同的接触单元集，并适用于某一特定类型的问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触。如果相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是一个节点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，如梁单元、壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程，后面会分类详述，然后论述ANSYS接触单元和他们的功能。参见《ANSYSElementsReference》和《ANSYSTheoryReference》。3.3.1面─面的接触单元ANSYS支持刚体─柔体和柔体─柔体的面─面的接触单元。这些单元应用“目标”面和“接触”面来形成接触对。

分别用TARGE169或TARGE170来模拟2D和3D目标面。

用CONTA171、CONTA172、CONTA173、CONTA174来模拟接触面。为了建立一个“接触对”，给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。参见§5.4。这些面-面接触单元非常适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。与点─面接触单元相比，面─面接触单元有许多优点:

支持面上的低阶和高阶单元(即角节点或有中节点的单元)；

支持有大滑动和摩擦的大变形。计算一致刚度阵，可用不对称刚度阵选项；

提供为工程目的需要的更好的接触结果，如法向压力和摩擦应力；

没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须的，允许有自然的或网格离散引起的表面不连续；

与点─面接触单元比，需要较少的接触单元，因而只需较小的磁盘空间和CPU时间，并具有高效的可视化；

允许多种建模控制，例如：

绑定接触，不分离接触，粗糙接触；

渐变初始穿透；

目标面自动移动到初始接触；

平移接触面(考虑梁和单元的厚度)，用户定义的接触偏移；

死活能力；

支持热-力耦合分析。使用这些单元来做为刚性目标面，能模拟2D和3D中的直线(面)和曲线(面)，通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱来模拟曲面。更复杂的刚体形状或普通可变形体，可以应用特殊的前处理技巧来建模，参见§5.4。面-面接触单元不能很好地应用于点-点或点-面接触问题，如管道或铆头装配。在这种情况下，应当应用点-点或点-面接触单元。用户也可以在大多数接触区域应用面-面接触单元，而在少数接触角点应用点-点接触单元。

面－面接触单元只支持一般的静态或瞬态分析，屈曲、模态、谱分析或子结构分析。不支持谐响应分析、缩减或模态叠加瞬态分析，或缩减或模态叠加谐响应分析。本章后面将分别讨论ANSYS不同接触分析类型的能力。3.3.2点─面接触单元点─面接触单元主要用于给点─面接触行为建模，例如两根梁的相互接触(梁端或尖角节点)，铆头装配部件的角点。如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面接触单元来模拟面─面的接触问题。面既可以是刚性体也可以是柔性体。这类接触问题的一个典型例子是插头插到插座里。使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格。并且允许有大的变形和大的相对滑动，虽然这一功能也可以模拟小的滑动。CONTACT48和CONTACT49单元是点─面的接触单元。这2种单元支持大滑动、大变形、以及接触部件间不同的网格。用户也可以用这2种单元来进行热-机械耦合分析，其中热在接触实体之间的传导非常重要。应用CONTACT26单元用来模拟柔性点─刚性面的接触。对有不光滑刚性面的问题，不推荐采用CONTACT26单元，因为在这种环境下，可能导致接触的丢失。在这种情况下，CONTACT48通过使用伪单元算法，能提供较好的建模能力(参见《ANSYSTheoryReference》)，但如果目标面严重不连续，依然可能失败。3.3.3点─点接触单元点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为。为了使用点─点接触单元，用户需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况(即使在几何非线性情况下)。其中一个例子是传统的管道装配模型，其中接触点总是在管端和约束之间。点─点接触单元也可以用于模拟面─面的接触问题，如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又可以忽略不计，两个面位移(转动)保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─面接触问题的典型例子。另一个点─点接触单元的应用是表面应力的精确分析，如透平机叶片的分析。ANSYS的CONTA178单元是大多数点-点接触问题的最好选择。它比其他单元提供了范围更广的选项和求解类型。CONTAC12和CONTAC52单元保留的理由，在很大程度上是为了与已有模型的向下兼容。3.4面─面的接触分析用户可以应用面-面接触单元来模拟刚体-柔体或柔体之间的接触。从菜单(Preprocessor>Create>ContactPair>ContactWizard)进入接触向导，为大多数接触问题建立接触对提供了简单的方法。接触向导将指导用户建立接触对的整个过程。每个对话框中的HELP按钮对其应用及选项作了详细说明。在用户未对模型的任何区域分网之前，接触向导不能应用。如果用户希望建立刚体-柔体模型，则在进入接触向导前，仅对用作柔体接触面的部分分网(不对刚体目标面分网)。如用户希望建立柔体-柔体接触模型，则应在进入接触向导前，对所有用作接触面的部件进行分网(包括目标面)。下面诸节将论述不用接触向导来建立接触面和目标面的方法。3.4.1应用面-面接触单元在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。对刚体─柔体的接触，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面。对柔体─柔体的接触，目标面和接触面都与变形体关联。这两个面合起来叫作“接触对”。使用TARGE169与CONTA171(或CONTA172)单元来定义2-D接触对。使用TARGE170与CONTA173(或CONTA174)单元来定义3-D接触对。程序通过相同的实常数号来识别每一个接触对。3.4.2接触分析的步骤典型面─面接触分析的基本步骤如下，后面将对每一步骤进行详细解释。1、建立几何模型并划分网格；2、识别接触对；3、指定接触面和目标面；4、定义目标面；5、定义接触面；6、设置单元关键选项和实常数；7、定义／控制刚性目标面的运动(仅适用于刚体-柔体接触)；8、施加必须的边界条件；9、定义求解选项和载荷步；10、求解接触问题；11、查看结果。4轴承接触分析4.1轴承模型的导入ANSYS软件提供了与各种CAD软件专用的接口工具，用户可以应用CAD软件进行建模，再将其导入ANSYS进行分析。目前各种CAD软件在工程设计和计算应用中非常广泛，尤其是对复杂模型进行分析的时候，这样做通常能够节约时间。本设计使用的Parasolid接口。，将模型另存为.x_t格式，然后导入ANSYS中进行分析。在导入过程中，需要注意以下问题：（1）Parasolid文件以米来描述描述几何模型的尺寸。无论CAD软件建模时采用何种单位，输出Parasolid文件时单位总是要转换到米。而生成的Parasolid文件并没有提供转换比例，可能造成Parasolid文件中的尺寸非常小，因此导入ANSYS中后，一定要检查一下实体模型的尺寸，如果尺寸过小，需要在ANSYS中进行放大才能进行分析。（2）ANSYS可以通过Parasolid接口导入CAD软件的装配、读入后的装配由多个Volume组成，但彼此之间已经没有原来的装配关系，各个实体之间是独立的。可以通过布尔运算、创建约束方程和定义接触单元进行定义配合关系。4.2轴承的有限元动态接触分析4.2.1划分网格实体建模的最终目的是划分网格以生成节点和单元。生成节点和单元的网格划分过程分为两个以下步骤：（1）将solidworks中的轴承保存x-t的文件格式，导入到ANSYS中，如图3.1所示。（2）定义单元属性。在前处理过程中，定义齿轮材料的物理参数为：弹性模量为2.07×e11Pa，泊松比为0.3,摩擦因数为0.025。考虑到计算精度要求、计算轴承的复杂程度以及计算的经济性等因素，本文中采用8节点Solid185单元。（3）定义网格生成控制并生成网格。然后应用Solid185单元对体进行扫描划分，生成较规则的有限元网格，如图3.2所示。图4.1图4.24.2.2创建接触对在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面，对刚体─柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe170和Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。自动定义接触对，并且自动选择接触单元为Contat174，目标单元为Targe170，生成的接触对如图4.4。对于柔体-柔体接触，选择哪一个面为接触面或目标面可能会引起穿透量的不同，从而影响求解结果。可以参照如下几点。指定目标面和接触面应遵循的原则:(1)当凸面和平面或凹面接触时,应指定平面或凹面为目标面;(2)如果两个面上的网格粗细不同,应指定单元网格较细的面为接触面,网格较粗的面为目标面;(3)当两个面的刚度不同时,应指定较硬的面为目标面,较软的为接触面;(4)如果一个面上的基础单元(即非组成接触对的接触单元和目标单元)为高阶单元,而另一个面上的基础单元为低阶单元,应将前者作为接触面;(5)如果两个面的大小明显不同,应将大面作为目标面。图4.3创建接触对图4.4设置接触参数图4.5所创建的接触4.2.3施加边界条件和载荷约束：轴承位于传动端，受到径向力和轴向力的作用，根据轴承的安装和受载情况，在柱坐标下约束以下边界：约束轴承外圈外圆柱面上节点的径向和周向位移，=0，=0；约束轴内圆柱面上节点的周向位移=0；保持架的作用是使滚子在内外圈滚道之间均匀分布，为了简化模型，通过对滚子施加一定约束来替代保持架。即约束滚子径向面上内部节点的周向位移=0。加载：在平面内，轴承径向载荷在圆弧上按余弦规律分布，且圆弧AB为，。即式中——中心C处()的分布载荷；——与x方向夹角为的外圆弧处的分布载荷。且有式中B——轴承宽度。有限元模型加载时，在轴承内圈的内圆柱面的范围内的节点上施加沿周向余弦载荷；在轴承内圈端面的节点上施加沿轴向均布载荷。图4.6加载后图形图4.7约束和加载的图4.2.4计算结果分析由于分析设置了载荷步，因此需要通过ReadResults—ByPick读取应力云图，单击/如图4.8—图4.14所示，分别显示了轴承整体、轴承外圈、轴承内圈、轴承滚子的应力云图和位移云图。图4.8计算后的收敛图4.9整体的应力云图图4.10外圈的应力云图图4.11内圈的应力云图图4.12滚子的应力云图图4.13外圈的位移云图图4.13内圈的位移云图图4.14滚子的位移云图4.3理论计算及验证4.3.1Hertz接触理论研究两物体因受压相触后产生的局部应力和应变分布规律的学科。1881年H.R.赫兹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。他假设：①接触区发生小变形。②接触面呈椭圆形。③相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。凡满足以上假设的接触称为赫兹接触。当接触面附近的物体表面轮廓近似为二次抛物面，且接触面尺寸远比物体尺寸和表面的相对曲率半径小时，由赫兹理论可得到与实际相符的结果。在赫兹接触问题中，由于接触区附近的变形受周围介质的强烈约束，因而各点处于三向应力状态，且接触应力的分布呈高度局部性，随离接触面距离的增加而迅速衰减。此外，接触应力与外加压力呈非线性关系，并与材料的弹性模量和泊松比有关。

实际工程中的很多接触问题并不满足赫兹理论的条件。例如，接触面间存在摩擦时的滑动接触，两物体间存在局部打滑的滚动接触，因表面轮廓接近而导致较大接触面尺寸的协调接触，各向异性或非均质材料间的接触，弹塑性或粘弹性材料间的接触，物体间的弹性或非弹性撞击，受摩擦加热或在非均匀温度场中的两物体的接触等。对以上问题的研究已取得不少成果。轴承钢球和滚道问的接触属于弹性力学的接触问题。根据赫兹接触理论，两物体接触情况如图1所示，即两物体的主曲率平面重合于平面1和2。当外力由0逐渐增大时，接触区域由点变为面，接触区域形状为椭圆形，如图4.10。图4.10轴承接触变形有如下计算公式：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）式中，为接触物体的主曲率，即接触体半径r的倒数，凸面取正值，凹面取负值；为接触点处两接触体的主曲率和；F()为辅助函数；为平均滚道曲率半径比；、为内外环滚道曲率半径与钢球直径比；为轴向载荷，N；c为接触变形系数；为轴承原始接触角；为轴承受轴向载荷作用下的接触角；Q为单个钢球的载荷，N；、为接触体材料的弹性模量，MPa；、为接触体材料的泊松比；a、b为接触椭圆的长、短半轴长度，mm；为钢球和滚道轴承环间的弹性趋近量，mm；、、由为辅助函数F()所决定的系数，由相应图表k查出；为钢球与轴承环间的最大接触应力，MPa；其中、、根据F()由参考文献查得对于22320C/W33调心滚子轴承，其其外圈直径D=215mm，内圈直径d=100mm，宽B=73mm，滚动体数目Z=36，滚动体球径Dw=6.375mm，外部径向载荷Fr=50kN，轴承材料为GCr15轴承钢，其材料的泊松比，材料的弹性模量。根据经验公式，该公式已由实验证实。由此求得滚动体承受最大径接触载荷。根据前述赫兹理论计算得轴承的长半轴、短半轴及最大接触应力结果如下：滚动体与内圈及外圈的等效应力分布最大值：1282.15Mpa、1057.55Mpa。内圈的有限元计算的结果与赫兹公式计算的结果相对误差为：8.421%。因此，有限元计算与赫兹公式的计算结果基本吻合。总结随着风力发电受到越来越多的重视，风电技术也在不断进步。作为一种新型能源技术，风力的装机容量不断增大，如今，7MW的风力发电机组已在测试中，因此，对风力机的关键零部件的要求越来越高。目前，我国的风力发电技术离世界先进水平还有一段距离，风力机的关键性部件国产化能力较低，大多还依靠进口。因此，解决风机关键零部件的国产化问题，是当前的重中之重。而加快风机零部件的分析研究，则对风力机关键部件的国产化的技术可靠性具有不可轻视的现实意义。本文通过建立了风力主轴轴承统模型，对风力机轴承进行了接触分析。计算得到的接触应力大小与赫兹理论计算结果一致，说明了分析的可靠性。找出了风力发电主轴轴承的最危险部位，其最危险部位在轴承的外圈内部与滚子接触处，接触表面的分度圆附近容易发生接触疲劳，滚子接触处容易发生滚子磨损，这与实际工况一致。对风力发电主轴轴承进行接触有限元分析，掌握其在接触力作用下的变形和应力情况，为改善风电主轴轴承接触状况、提高其承载能力和性能提供了可靠的分析方法。由于时间限制及知识水平的局限性，在本设计分析中尚且存在不足之处，因此对将来的进一步研究提出以下建议：（1）参数化建模，对轴承模型进