机床主轴-轴承系统热-力耦合模型及其动态性能研究

为了研究机床主轴系统在高速运转情况下的动态性能变化,建立了一种主轴-轴承系统的热-力耦合模型,该模型包括了主轴转子和轴承模型.采用有限元法得到主轴转子模型,该模型考虑了主轴的离心效应、陀螺力矩和轴承刚度软化效应.通过对Jones非线性轴承模型进行改进获得了轴承模型,它考虑了主轴与轴承的初始装配过盈量、离心力、温升等因素导致的轴承内圈径向变形及预紧力的变化.理论仿真结果表明:轴承内圈离心膨胀以及内外圈热膨胀会导致轴承刚度增大,而对于背靠背的轴承配置形式,热诱导预紧力会导致轴承刚度减小.此外,主轴离心效应比轴承的刚度软化对主轴-轴承系统动态特性的影响更明显.     

考虑轴颈倾斜的水润滑橡胶径向轴承的动力学特性

针对轴颈倾斜下水润滑橡胶径向轴承动力学建模问题,提出了32系数动力学模型,建立了弹流润滑模型,采用差分求解方法求解了8系数模型和32系数模型下的轴承动特性,分析了偏心率和倾斜角的变化对轴承动特性系数的影响。研究结果表明:轴承的8系数模型下刚度和阻尼系数随偏心率的增大而增大,且在大偏心率下呈指数式增大;轴承的32系数模型下角刚度和角阻尼系数也随偏心率的增大而增大;随着轴颈倾斜角增大,32系数模型下轴承的位移刚度系数、位移阻尼系数、角刚度系数、角阻尼系数、角-力交叉刚度系数、角-力交叉刚度阻尼系数、位移-力矩交叉刚度及位移-力矩交叉阻尼系数都相继增大。该研究对水润滑橡胶径向轴承的润滑性能优化设计提供了一定的参考。     

惯导轴承摩擦力矩特性试验

惯性导航系统轴承(简称惯导轴承)运行在温度及转速不断变化的复杂工况下,它的摩擦力矩特性关系到运载体的姿态稳定和相关仪表指示精度。本文在自行研制开发的试验台上,测试了某型号惯导轴承在不同转速、轴向载荷、环境温度及运转时间下的摩擦力矩。试验结果表明:转速对惯导轴承摩擦力矩的影响最大,轴承摩擦力矩随转速波动变化;惯导轴承摩擦力矩随轴向载荷的增加而增加,但并非线性关系,且在承受较小轴向载荷时轴承摩擦力矩随转速的波动变化趋势较平稳;环境温度对惯导轴承摩擦力矩有明显影响,在不同的dn值(轴承内径与转速的乘积)下轴承摩擦力矩随温度升高呈现不同的变化趋势;惯导轴承需要一定的跑合时间,轴承摩擦力矩在初始运行阶段有一个短暂的下降过程,之后达到稳定值。     

车辆服役环境对高速列车轴箱轴承温度的影响分析

构建考虑轴箱表面散热及轴承内部传热的功率损耗模型,分析轴箱轴承在不同服役环境下的载荷;综合考虑轴箱表面空气流场对流换热的影响,建立精细化轴箱轴承温度模型,分析不同服役环境对轴箱轴承温度分布和温度特性的影响,并通过轴承试验台验证模型的有效性。研究结果表明：当车辆速度由220 km/h增至300 km/h时,轴承的总摩擦力矩增大11.4%;当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,摩擦力矩平均增大2.8%;轴箱轴承最高温度出现在内圈与滚动体接触的区域,最低温度出现在轴上且接近环境温度;当车速由220 km/h增加到300 km/h时,轴承的最高温度上升9.2℃,各节点处温度均有一定程度增加,当车轮多边形阶数由16阶增加到22阶时,最高温度平均升高1.1%;当多边形深度幅值由10 dB增加到18 dB时,最高温度平均升高1.4%。     

基于ANSYS Workbench的轮毂轴承刚性仿真分析

运用ANSYS Workbench有限元仿真工具建立了轮毂轴承的有限元仿真模型,对轮毂轴承整体刚性进行仿真分析。仿真结果表明,有限元模型在承受力矩载荷时产生的应力传递方向和应力形成区域与实际情况相符;轮毂轴承单元的整体倾角与载荷大小基本成线性关系。不同载荷的实验显示,轮毂轴承力矩倾角的仿真值和试验值之间的误差小于8%,验证了基于ANSYS Workbench的轮毂轴承刚性仿真分析的正确性。仿真分析数据可应用于轮毂轴承初期设计与优化阶段。     

转子系统状态矩阵与稳定性分析

建立了考虑机匣弹性和陀螺力矩以及轴承回转动力激励时的悬臂双盘转子系统的动力学模型和运动微分方程.根据稳定性理论,由状态矩阵特征值的性质,分析了一些结构参数对转子系统稳定性的影响.结果表明:轴承回转动力激励、轴承刚度和转速对系统稳定性均有较大的影响;增大阻尼和机匣刚度对系统稳定运行有利;存在一个临界轴承刚度,当轴承刚度大于临界轴承刚度时,系统存在运动稳定区域,否则系统不存在运动稳定区域.     

带支反力矩的轴承数学模型

转子系统的动态性能,很大程度上依赖于轴承参数.在原轴承8参数数学模型的基础上提出了一个改进的模型,该模型考虑了轴颈处转角的变化导致的力的分布不均性,将其不均的力向轴承中心简化,得到一简化的力和一力矩,并推出了该力和该力矩的数学式.文中给出了一个算例,比较了在两种轴承的数学模型下,运用有限元素法计算出的转子系统临界转速.结果表明,当轴承刚度较大时,两种模型的结果之间存在较大的差异.因此,在转子系统的动力学设计过程中,有必要采用改进轴承数学模型,这对于提高转子系统动力学设计的精度具有理论意义.     

进给系统成对安装的角接触球轴承热分析

考虑轴承的离心力、陀螺力矩等因素建立滚珠的动载荷平衡模型,利用牛顿-拉弗逊法求解.然后对轴承、丝杠轴、轴承座取温度节点,考虑轴承热节点之间的接触热阻并利用轴承内部温度变化结合润滑剂的黏温效应实时修正轴系热源发热量、热边界条件等特性参数,建立机床进给轴承系统成对安装角接触球轴承的瞬态热网络模型.利用差分矩阵结合Matlab软件数值求解预测出不同进给速度下轴承座表面等重要节点的瞬态温升曲线,分析不同转速下轴系温度场的变化.并对不同进给速度下的轴系安排实际工况下的试验验证,证明了预测模型的有效性.     

汽车主锥预紧力测量机的研制

研究了汽车主锥总成装配中配对圆锥滚子轴承预紧的问题,包括轴承预紧力与轴向位移、压紧轴承的锁紧螺母拧紧力矩之间的关系,以及轴向位移量与启动摩擦力矩之间的内在联系,并计算了轴承预紧力矩和轴承启动摩擦力矩,研制出具有预紧力矩和启动摩擦力矩自动测量功能的主锥自动装配设备。设备使用后,工作正常稳定,成功地解决了主锥总成装配上的一个技术难点,大大提高了主锥总成的装配质量和生产效率。     

转台轴承静刚度建模及其影响因素分析

为了改善转台的动静特性,分析了三排圆柱滚子转台轴承静刚度与轴承结构型式、装配工艺和外载荷的关系。结合轴承游隙、螺钉拧紧力矩、径向与轴向滚子间的相互作用和外载荷等因素,将轴向滚子与轴圈间的接触看作理想平面接触,考虑径向滚子压力沿轴向的分布,并利用Boussinesq力与变形关系式求解实际的压力值,通过求解轴承的整体静力平衡方程,得到了三排圆柱滚子转台轴承5个方向的静刚度值。分析结果表明:转台固有频率测试与理论值误差不超过3.0%,验证了刚度理论模型的准确性;轴向滚子与径向滚子载荷间的相互作用很小;螺钉拧紧力矩、径向游隙和外载荷对转台轴承刚度有重要影响,随着螺钉拧紧力矩和径向预压量的增大,外载荷对刚度的影响减弱。     

组合荷载作用下平板锚承载能力的数值预测

为预测组合荷载作用下平板锚的承载力,假设锚-土之间不脱离,在ABAQUS下建立了法向力、切向力和弯矩共同作用的平板锚运动变形数值模型。与极限理论解对比,证明了上述数值模型的正确,并利用其计算了法向力、切向力和弯矩组合荷载作用下板锚的极限承载力,利用Murff模型拟合了组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。结果表明,Murff模型能较好地拟合组合荷载作用下板锚的极限承载力包络面。     

过焊孔对H型钢柱梁节点受力性能的影响

针对过焊孔对柱梁节点受力性能影响的相关研究较少,通过试验和有限元分析,研究过焊孔对T形柱梁节点各组成部分的力学性能的影响。结果如下：增大节点域的强度,不利于构件的变形性能,但可以提高构件的最大承载力。柱梁节点处过焊孔影响分析模型（analysis model,AM）的梁弯矩荷载分布。在梁柱节点的梁端部位,因过焊孔应力易集中,梁腹板弯矩荷载偏大。在梁端轴向0~80 mm范围内,梁腹板弯矩荷载相对小,其中,梁端轴向接近35 mm处的梁腹板弯矩荷载最小。在梁端轴向0~80 mm范围内,梁翼缘弯矩荷载相对大,这是由于受过焊孔影响引起的梁腹板承载能力递减、过焊孔周围应力易集中及外荷载作用不变等原因导致的;且梁腹板承担的荷载越小,梁端轴向对应处的梁翼缘承担的荷载越大。节点域强度变化与AM模型的梁端腹板承担的剪力荷载呈正相关,节点域强度越小,梁端腹板承担的剪力荷载也越小。     

强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性

为研究强震作用下液化场地桩-土非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用Midas/GTS有限元软件,建立了桩-土相互作用模型,分析了地震动峰值为0.35g时4种类型地震波作用下桩身加速度、桩身位移、桩身弯矩及剪力等动力响应,并根据计算结果对桩基在强震作用下的安全进行了评价.结果表明:在0～10 m的可液化粉细砂层,桩身加速度峰值迅速增加,并在桩顶处达到最大,桩顶加速度出现峰值的时刻与桩底相比均呈现滞后现象,最大滞后时间为2.14 s;不同类型地震波作用下,在可液化的粉细砂层,Kobe波产生的桩顶位移最大,El-Centro波次之,5010波产生的桩顶位移最小;桩身弯矩峰值均出现在液化层和非液化层分界处,桩身剪力峰值均出现在地下0～10 m的可液化土层之间,Kobe波作用时,桩身弯矩和剪力峰值均最大,El-Centro波次之,5010波最小;地震动强度为0.35g,5010、5002、El-Centro地震波作用时,桩身弯矩及剪力峰值均未超过桩身截面抗弯和抗剪承载力,Kobe地震波作用时,桩身弯矩峰值小于桩身截面抗弯承载力,而桩身剪力峰值超出桩身截面抗剪承载力的68.6％,桩基础桩身强度不满足抗震要求,建议增加桩基础纵向配筋.     

热力耦合作用下H型截面钢框架力学特征研究

The research on the mechanical characteristics of steel frame under high temperature fire is one of the hot topics. In this paper, the bearing capacity of H-section steel frames with single-story single-span and two-story two-span H-section is discussed by combining theoretical calculation and finite element simulation. The following conclusions are drawn: The overall bending moment of the single-story single-span H-section steel frame under thermal and mechanical coupling decreases with the increase of temperature, and the theoretical calculation of its bearing capacity is basically consistent with the numerical simulation results. Under the action of thermal coupling, the bending moments of the two-story and two-span H-section steel frame at both ends of the beam first increased and then decreased with the increase of temperature, but the bending moments at both ends changed in opposite directions. The bending moment in the middle of the beam is basically unchanged. As the temperature rises in the two-story, two-span H-section steel frame, the bending moment of the side columns changes more than the center column.     

桥台对连续梁桥纵向地震响应的影响

以一座带桩基础U形座式桥台的连续梁桥为背景,采用非线性时程方法,研究主梁、桥台和台后填土相互作用对桥梁结构纵向地震响应的影响,探索地震作用下容许桥台背墙进入弯曲屈服或背墙底剪断对桥梁支座位移、桥墩延性需求和桥台单桩弯矩地震响应的影响,并以桥台背墙的屈服弯矩、台梁之间间隙和墩高为参数进行参数分析.结果表明,与容许桥台背墙进入弯曲屈服相比,容许桥台背墙底部被剪断工况中的支座纵向位移、桥墩位移延性需求和桥台单桩弯矩明显减小;增大桥台背墙屈服弯矩可减小支座位移,桥墩位移延性需求随桥台背墙屈服弯矩增加呈现先逐渐增加再趋于稳定的趋势,桥台单桩弯矩呈现逐渐增加的趋势;减小伸缩缝间隙的大小可减小支座纵向位移,但可能会增大桥墩位移延性需求.     

采用拉索减震支座的斜拉桥地震易损性分析

利用易损性方法对斜拉桥设置拉索减震支座与否进行了细致的研究,并得到了塔底弯矩和墩梁位移的易损性曲线.通过基于概率的分析研究表明,拉索减震支座能够有效地限制墩梁的相对位移,同时还能够适当地减小塔底的弯矩.对斜拉桥安装拉索减震支座的减震机理进行探讨表明,依靠摩擦增加阻尼以及通过拉索改变地震力的传力路径是减小斜拉桥地震响应的主要方式.     

钢管混凝土梁柱节点受剪承载力计算模型分析

为了研究钢管混凝土梁柱节点受剪承载力,对钢管混凝土梁柱节点的剪切破坏机理进行了深入的讨论,分别对核心区混凝土、钢管以及加强环对节点的抗剪贡献进行了分析,提出了考虑轴压力、柱端弯矩、梁端竖向剪力等因素的梁柱节点受剪承载力计算模型,通过实例验证了公式的合理性。     

倾斜抗滑桩护坡承载特性试验研究

为充分探究倾斜抗滑桩护坡承载特性，弥补倾斜抗滑桩在相应试验研究方面的不足，采用模型试验方法，对倾斜与竖直抗滑桩支护结构的受力状态、坡顶沉降位移、桩身内力变化规律和桩后土压力进行测量对比分析。试验结果表明倾斜桩体桩后土压力随着桩体埋深的增加先增大后减小，其形态类似于抛物线型分布；桩体在同一位置不同加载荷载下，土压力值随着荷载的增大而增大，与竖直桩体相比其受力更加合理，更能充分发挥抗滑桩护坡作用。桩身弯矩形态近似呈“S“形分布，桩身弯矩随着桩体埋深的增加先增大，后出现弯矩重分布现象反向增大最后减小，在桩体埋深为35cm处，弯矩值出现重分布现象；桩体在同一位置不同加载荷载下，弯矩值随着荷载的增大而增大且桩顶处弯矩值大于桩底弯矩。倾斜比竖直桩体在相同状况下所受弯矩值明显小很多，即能承受更大的土体作用而不发生破环，从而使护坡效果明显增强，为在实际工程中采用与坡面大致垂直的抗滑桩比竖直抗滑桩能达到更好的护坡效果提供了理论指导。     

斜坡段桥梁基桩受力与变形分析的传递矩阵法

根据斜坡段桥梁基桩的水平承载特性,建立了考虑斜坡效应的桩-土相互作用模型及挠曲微分方程;基于m法和传递矩阵法,推导了桩身内力与位移分析的传递矩阵解答;通过模型试验,测得了黏土和砂土斜坡地基比例系数,拟合得到了斜坡地基比例系数与坡度间的关系式,验证了理论解答的合理性;以某工程实例为基础,分析了斜坡坡度和桩顶水平荷载对斜坡基桩受力与变形的影响.研究表明：斜坡地基比例系数随桩土交界面处桩身水平位移增大而呈非线性关系减小;黏土和砂土斜坡地基比例系数均随斜坡坡度增加而减小;基桩桩顶水平位移和桩身最大弯矩均随斜坡坡度和桩顶水平荷载增加而增大;当斜坡坡度由0°增加至60°时,桩顶水平位移约增大86.4%,桩身最大弯矩约增大4.6%,桩身最大弯矩位置约下移2.0 m;桩顶水平荷载每增加50 kN,桩顶水平位移平均增大48.5%,桩身最大弯矩平均增大41.6%.     

变截面桩水平承载规律研究

基于变截面桩水平承载计算理论,考虑不同异化深度、有效截面面积等因素,对变截面空心方桩、变截面管桩和变截面加翼管桩这3种类型变截面桩在淤泥质土中的承载性状进行了规律性研究,结果表明:变截面桩桩顶位移均随异化深度的增大而非线性减小,减小速率先增大后趋缓;桩身最大弯矩随异化深度的增大均呈先减小后增大的趋势,当异化深度为(3~4)d时桩身最大弯矩值最小;变截面桩的水平承载力均随异化深度增大而非线性增大,异化深度小于7d时变截面加翼管桩的承载力较其他2种变截面桩有明显优势,异化深度大于7d后则开始情况相反;异化深度相同时,变截面空心方桩承载力较变截面管桩有优势。综合考虑承载力及桩身弯矩随异化深度的变化后,建议变截面桩异化深度(3~4)d为宜。