本文主要針對Tribo-X inside ANSYS的功能及各方向應(yīng)用實例進(jìn)行介紹，限于篇幅關(guān)系會分五篇進(jìn)行介紹，第一篇主要結(jié)合軟件的需求、理論、功能及應(yīng)用方向進(jìn)行介紹，第二篇至第五篇將結(jié)合具體應(yīng)用方向的示例進(jìn)行介紹。本篇為第一篇。

 

一、滑動軸承計算應(yīng)用場景

 

滑動軸承大量用于旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)力學(xué)行為與滑動軸承的特性參數(shù)密切相關(guān)，有必要對滑動軸承進(jìn)行計算以獲取軸承參數(shù)，研究軸承受力狀態(tài)，如油膜壓力、油膜間隙、軸承剪力、油膜剛度、油膜阻尼等。

 

但滑動軸承計算在本質(zhì)上屬于復(fù)雜的多物理場問題，涉及流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)，而且尺度極小，通常間隙量僅為數(shù)十到數(shù)百微米，經(jīng)典三維CFD或者有限元計算難度很大。

 

 

基于ANSYS WB平臺開發(fā)的滑動軸承計算工具Tribo-X inside ANSYS是基于熱彈油膜動力學(xué)的滑動軸承求解器，它采用合理簡化算法，實現(xiàn)從3D計算到2D計算的轉(zhuǎn)換，基于簡單模型快速完成滑動軸承計算。

 

Tribo-X inside ANSYS將Tribo-X求解器集成到ANSYS Workbench環(huán)境中，基于ANSYS環(huán)境建模、設(shè)置滑動軸承計算參數(shù)并驅(qū)動Tribo-X求解器實現(xiàn)滑動軸承快速計算，解決了傳統(tǒng)CAE方法難以計算滑動軸承的困難，可以獲取軸承重要參數(shù)，研究軸承受力狀態(tài)，預(yù)測旋轉(zhuǎn)軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對軸承參數(shù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，并可以將軸承計算與ANSYS Mechanical結(jié)構(gòu)計算聯(lián)合，精確考慮軸承特性對系統(tǒng)力學(xué)特性（如轉(zhuǎn)子動力學(xué)）的影響。

 

二、Tribo-X inside ANSYS概述

 

1、適用的軸承

 

目前版本功能支持的滑動軸承類型如圖所示：

 

圖-適用于TriboX-inside ANSYS進(jìn)行分析的軸承（紅線框內(nèi)）

 

2、合理假定

 

油膜間隙遠(yuǎn)小于軸承尺寸

厚度方向壓力不變

 

3、理論公式

 

TriboX-inside ANSYS基于TEHD（熱彈油膜動力學(xué)）的油膜軸承求解器，

 

圖-潤滑方程

 

圖-三維NS方程(CFD)與二維雷諾方程（Tribo-X）計算結(jié)果對比

 

l  RDE與CFD計算結(jié)果存在微小偏差

l  RDE計算時間明顯低于CFD的計算時間

 

4、應(yīng)用方向

 

Tribo-X求解器集成在ANSYS Workbench環(huán)境中，二者優(yōu)勢互補。其中ANSYS Workbench提供強大的前處理建模、后處理結(jié)果查看能力，Tribo-X inside ansys提供全面、快速、精確的滑動軸承計算能力，同時Tribo-X inside ansys可以與ANSYS優(yōu)化模塊集成進(jìn)行滑動軸承參數(shù)優(yōu)化，與ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊結(jié)合，無縫傳遞軸承參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析。

 

圖 Tribo-X inside ANSYS與ANSYS聯(lián)合分析

 

（1）軸承平衡狀態(tài)計算

（2）軸承剛度與阻尼計算

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)行為與軸承動力特性高度相關(guān)，滑動軸承動力特性的軸承系數(shù)為油膜剛度和油膜阻尼，而油膜剛度與阻尼取決于軸承平衡位置及轉(zhuǎn)速，Tribo-X可以計算轉(zhuǎn)速相關(guān)的軸承剛度與阻尼系數(shù)。軸承系數(shù)可以自動無縫傳遞到ANSYS轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算系統(tǒng)，進(jìn)而進(jìn)行考慮軸承系數(shù)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析。

 

圖-基于軸承參數(shù)進(jìn)行模態(tài)分析

 

 

（3）氣穴的模擬

油膜間隙中會產(chǎn)生氣穴，滑動軸承的油膜氣穴主要來源于空氣穴。Tribo-X采用質(zhì)量守恒算法，在二維雷諾方程中引入充油率，后處理可以提供充油率結(jié)果，用于識別氣穴區(qū)域。

 

 

（4）低粘度潤滑液在高轉(zhuǎn)速情況下的湍流效應(yīng)模擬

對于低粘度潤滑液（如水）在高轉(zhuǎn)速情況下，有必要考慮湍流效應(yīng)。考慮湍流通常會提升油膜摩擦力，從而獲得更好的軸承承載能力。

 

 

（5）考慮軸承形狀或者位置偏差的滑動軸承計算

制造或者工作條件都可能產(chǎn)生軸承形狀或位置偏差，進(jìn)而影響油膜厚度和壓力分布。可以基于CAD模型直接定義傾斜軸，也可以基于工作條件定義傾斜軸。

 

 

（6）考慮軸承座彈性的滑動軸承分析

經(jīng)典油膜動力學(xué)計算理論將軸承視為剛性體，使得軸承計算承載能力比實際承載能力偏低，對于高負(fù)載滑動軸承尤為明顯。Tribo-X可以基于軸承有限元模型提取軸承柔度矩陣，在考慮線彈性材料行為的基礎(chǔ)上，計算彈性變形對油膜壓力及油膜間隙等計算結(jié)果的影響。

 

 

（7）考慮混合摩擦狀態(tài)的滑動軸承分析

混合摩擦狀態(tài)是指固體表面摩擦與液體摩擦并存，Tribo-X可以通過定義軸與軸承表面粗糙度同時考慮表面材料的塑性屈服應(yīng)力進(jìn)行混合摩擦分析。

 

 

（8）滑動軸承瞬態(tài)分析

計算隨時間變化載荷作用下的軸承響應(yīng)，比如循環(huán)載荷作用下的瞬態(tài)軸承分析及非循環(huán)載荷作用下的瞬態(tài)軸承分析。

 

 

（9）滑動軸承熱分析

定義軸承材料的熱屬性及溫度相關(guān)的潤滑油材料屬性，考慮軸承與油膜的熱傳導(dǎo)，計算油膜間隙溫度分布。

 

圖-油膜間隙溫度分布

 

（10）設(shè)計優(yōu)化

全參數(shù)化工作流程，CAD三維軟件參數(shù)化建模并用于優(yōu)化（optiSLang，DX）

參數(shù)研究：確定最重要的工作參數(shù)

 

圖-參數(shù)化分析與優(yōu)化

 

三、Tribo-X inside ANSYS詳細(xì)功能說明

 

1、操作系統(tǒng)及版本

 

l  操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 10（64 Bit）

l  對應(yīng)的ANSYS 版本：Tribo-X inside ANSYS嵌入在ANSYS WB平臺使用，直接利用ANSYS WB平臺進(jìn)行前后處理，目前支持ANSYS 2020R1版本。

 

2、功能模塊

 

Tribo-X inside ANSYS為滑動軸承力學(xué)特性分析以及設(shè)計優(yōu)化提供了便捷而高效的工具，包括三個功能模塊，區(qū)分基本功能模塊和附加功能模塊：

 

 

3、計算流程

 

（1）前處理

 

① 材料及幾何模型

材料、軸承和軸的幾何模型以及網(wǎng)格劃分定義等操作基于ANSYS Workbench環(huán)境完成，等同于ANSYS Mechanical分析系統(tǒng)的基本操作。

 

其中軸承與軸之間的間隙自動識別為潤滑區(qū)域，完成基于軸承幾何的油膜建模，可定義軸的初始位置。

 

 

② 有限元網(wǎng)格處理

在求解過程中，TrboX-inside ANSYS映射ANSYS的網(wǎng)格生成適用于雷諾方程求解的網(wǎng)格，采用自己的網(wǎng)格，因此存在ANSYS軸承與軸的網(wǎng)格質(zhì)量影響滑動軸承求解器的精度，對于網(wǎng)格質(zhì)量建議如下：

 

軸與軸承表面的網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)保證足以捕獲幾何形狀

建議采用帶中節(jié)點的單元可以更好的描述幾何形狀

潤滑供油區(qū)域的單元尺寸應(yīng)足夠小，在幾何選擇的尺寸方向至少包含三個單元

 

 

（2）求解

 

對于滑動軸承求解，需要設(shè)定不同的邊界條件:

 

 

（3）后處理

 

可以輸出云圖及表格的結(jié)果數(shù)據(jù)。

 

 

（1）云圖結(jié)果

可以展示流體動力壓力、潤滑間隙高度（或間隙填充比），剪應(yīng)力以及溫度等。

 

 

（2）氣穴區(qū)域

在不同的潤滑間隙中會發(fā)生氣穴現(xiàn)象，為了正確地模擬熱平衡或軸承的負(fù)載能力，在Tribo-X中用適當(dāng)?shù)乃惴ū硎玖藲庋ㄐ?yīng)。

 

 

（3）圖表結(jié)果

可以顯示不同類型的表結(jié)果數(shù)據(jù):

l  最大壓力

l  最小間隙高度

l  水平及垂直偏心

l  最小間隙高度處的偏心及角度

l  平衡位置的反力

l  摩擦力矩和能量（power?）

l  承載能力比

l  潤滑劑流量

l  剛度和阻尼系數(shù)

l  平均間隙填充系數(shù)

l  其他

 

 

四、Tribo-X inside ANSYS的客戶價值

 

解決了傳統(tǒng)CAE方法難以計算油膜軸承的困難；

將滑動軸承快速求解器Tribo-X與ANSYS進(jìn)行集成，可基于ANSYS模型進(jìn)行油膜軸承計算；

研究軸承受力狀態(tài)，獲取軸承重要參數(shù)；

快速精確的軸承油膜動力學(xué)分析

軸承彈性變形分析

軸承表面粗糙度混合摩擦分析

軸承剛度/阻尼系數(shù)計算，與轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析集成

統(tǒng)一的集成環(huán)境：ANSYS Workbench

CAD集成，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計

optiSLang集成，實現(xiàn)參數(shù)敏感性與優(yōu)化分析

 

以上是作者王慶艷老師基于Tribo-X inside ANSYS結(jié)合軟件的需求、理論、功能及應(yīng)用方向進(jìn)行介紹，后續(xù)文章將結(jié)合具體應(yīng)用方向的示例進(jìn)行介紹。歡迎感興趣的朋友持續(xù)關(guān)注。