ABAQUS滑动轴承座有限元数值模拟分析
ABAQUS滑动轴承座有限元数值模拟分析
1 引言
1.1 概述
轧钢是钢铁工业生产的最终环节。轧钢车间担负着生产钢材的任务。各种轧钢车间所用的坯料，都采用两种方法生产：第一种是连铸(板)坯的方法；第二种是用开坯机将钢锭轧成大钢坯。到1970年，世界上有初轧机200多台，其中美国最多，占到130台，日本42台。绝大部分为二辊可逆式轧机，开坯能力能达3×108t以上。近十几年来，连续铸钢发展速度非常快。有些国家连铸比已达100％，日本高达95％以上。1998年中国连铸比为67％。目前，虽然普通钢材用的原料大多是连铸坯，但连铸还不能完全取代初轧生产。如小批量钢、超过连铸机结晶器尺寸的大钢坯，以及一些优质钢和合金钢种，仍需依靠模铸。而且模铸以绝热板代替保温帽技术使镇静钢收得率提高，钢锭采用“液芯加热"技术使热能消耗大大降低，初轧采用双锭轧制的新工艺，又在一定程度上弥补了初轧的生产弱点。因此，20世纪70年代以后，世界上新建初轧机近70台，总体趋势向大型化、专业化、自动化方向发展，如轧辊直径1400-1500mm，主电机功率2×6700kw。新建的初轧机具有以下特点：1)万能式板坯初轧机得到迅速发展，六十年代后新建的初轧机60％是万能式板坯轧机，这种轧机带有立辊，可以减少轧件翻钢道次，轧制时间比方坯一板坯初轧机减少39％。2)向重型化方向发展，轧制钢锭重量达45-70t，最高年产量达500-600×104t。3)提高自动化程度，计算机的应用已使初轧生产从均热炉到轧制、精整、冷却的在线控制和信息处理再到车间生产调度及管理系统等，均可以实现自动控制[。
1.2 计算机仿真技术的发展
计算机仿真技术（Computer Imation Technology）又称虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology），是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。计算机仿真的发展，经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动态显示及可视化交互式仿真等一系列阶段。计算机仿真发展与应用的历程，就是在实际应用需求的牵引下，在不断涌现出与发展的相关新技术的推动下，融合新的建模与仿真方法学而不断发展起来的。随着计算机科学技术的飞速发展, 多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。因而，近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。我们完全有理由相信，计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用。
1.3 有限元分析国内外发展现状
“有限单元法”这一名称是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它虽然是50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用过的一种有效的数值分析方法，但是，由于它所依据理论的普遍性，已经能够成功地用来求解其它工程领域中的许多问题。随后很快广泛的应用于求应力场、位移场、电磁场、温度场、流体场等连续性问题。涉及了很多的工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体力学等。在机械工程领域，有限元被广泛的应用于机构、振动和传热问题上。
纵观当今国际上有限元软件的发展情况，可看出有限元软件的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由求解线性问题发展到求解非线性问题；由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解；程序面向用户开放性等。
1.4 本课题的研究方法
本选题以自己简化后的轴承座为原型，按照已知的轧制力及辊颈尺寸，对改造后应用的滑动轴承通过接触分析，对轴、轴承及轴承座的接触应力进行模拟并进行承载能力研究。研究思路及技术路线如下：首先建立轴及轴承座的几何模型，根据轴承的工作状态确定边界条件，由轧机的工作情况确定载荷大小，然后利用有限元软件-ABAQUS对其接触情况进行模拟。通过对模型模拟得到最大接触应力，对结果进行分析，最后考虑安全系数等因素选取比较合理的结构参数
2 ABAQUS概述和分析步骤
2.1 概述
2.1.1 ABAQUS简介
ABAQUS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国达索SIMULIA公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
2.1.2 ABAQUS主要的应用的领域
ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
2.1.3 ABAQUS的主要功能
ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。
2.1.4 ABAQUS提供的分析类型
ABAQUS产品主要分析功能有：1）静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等。2）动态分析：包括结构固有频率的提取，瞬态响应分析，稳态响应分析，以及随机响应分析等。3）粘弹性/粘塑性响应分析：粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析。4）热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析，质量扩散分析，静水压力造成的质量扩散和渗流分析等。5）耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等。6）非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等。7）瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题。8）准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题。9）退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟。10）海洋工程结构分析：对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟。11）对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟。12）水下冲击分析：对冲击载荷作用下的水下结构进行分析。13）疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估。14）设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计。
2.1.5 ABAQUS的操作界面
ABAQUS主界面
ABAQUS操作界面如上图所示，目前是已汉化版本，主要使用的是6.10版本。该软件的操作界面比较简洁。因此可以用该软件直接建模，再将模型进行网格划分和分析计算。这样能大大的提高工作效率。
2.2 ABAQUS分析步骤
1）创建部件
2）设置材料和截面特性
3）定义装配件
4）设置分析步和变量输出
5）施加载荷和边界条件
6）划分网格
7）提交作业，运行分析
8）结果后处理
1 引言
1.1 概述
轧钢是钢铁工业生产的最终环节。轧钢车间担负着生产钢材的任务。各种轧钢车间所用的坯料，都采用两种方法生产：第一种是连铸(板)坯的方法；第二种是用开坯机将钢锭轧成大钢坯。到1970年，世界上有初轧机200多台，其中美国最多，占到130台，日本42台。绝大部分为二辊可逆式轧机，开坯能力能达3×108t以上。近十几年来，连续铸钢发展速度非常快。有些国家连铸比已达100％，日本高达95％以上。1998年中国连铸比为67％。目前，虽然普通钢材用的原料大多是连铸坯，但连铸还不能完全取代初轧生产。如小批量钢、超过连铸机结晶器尺寸的大钢坯，以及一些优质钢和合金钢种，仍需依靠模铸。而且模铸以绝热板代替保温帽技术使镇静钢收得率提高，钢锭采用“液芯加热"技术使热能消耗大大降低，初轧采用双锭轧制的新工艺，又在一定程度上弥补了初轧的生产弱点。因此，20世纪70年代以后，世界上新建初轧机近70台，总体趋势向大型化、专业化、自动化方向发展，如轧辊直径1400-1500mm，主电机功率2×6700kw。新建的初轧机具有以下特点：1)万能式板坯初轧机得到迅速发展，六十年代后新建的初轧机60％是万能式板坯轧机，这种轧机带有立辊，可以减少轧件翻钢道次，轧制时间比方坯一板坯初轧机减少39％。2)向重型化方向发展，轧制钢锭重量达45-70t，最高年产量达500-600×104t。3)提高自动化程度，计算机的应用已使初轧生产从均热炉到轧制、精整、冷却的在线控制和信息处理再到车间生产调度及管理系统等，均可以实现自动控制[。
1.2 计算机仿真技术的发展
计算机仿真技术（Computer Imation Technology）又称虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology），是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。计算机仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。计算机仿真的发展，经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动态显示及可视化交互式仿真等一系列阶段。计算机仿真发展与应用的历程，就是在实际应用需求的牵引下，在不断涌现出与发展的相关新技术的推动下，融合新的建模与仿真方法学而不断发展起来的。随着计算机科学技术的飞速发展, 多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。因而，近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。我们完全有理由相信，计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用。
1.3 有限元分析国内外发展现状
“有限单元法”这一名称是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它虽然是50年代首先在连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中应用过的一种有效的数值分析方法，但是，由于它所依据理论的普遍性，已经能够成功地用来求解其它工程领域中的许多问题。随后很快广泛的应用于求应力场、位移场、电磁场、温度场、流体场等连续性问题。涉及了很多的工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体力学等。在机械工程领域，有限元被广泛的应用于机构、振动和传热问题上。
纵观当今国际上有限元软件的发展情况，可看出有限元软件的一些发展趋势：与CAD软件的无缝集成；更为强大的网格处理能力；由求解线性问题发展到求解非线性问题；由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解；程序面向用户开放性等。
1.4 本课题的研究方法
本选题以自己简化后的轴承座为原型，按照已知的轧制力及辊颈尺寸，对改造后应用的滑动轴承通过接触分析，对轴、轴承及轴承座的接触应力进行模拟并进行承载能力研究。研究思路及技术路线如下：首先建立轴及轴承座的几何模型，根据轴承的工作状态确定边界条件，由轧机的工作情况确定载荷大小，然后利用有限元软件-ABAQUS对其接触情况进行模拟。通过对模型模拟得到最大接触应力，对结果进行分析，最后考虑安全系数等因素选取比较合理的结构参数
2 ABAQUS概述和分析步骤
2.1 概述
2.1.1 ABAQUS简介
ABAQUS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国达索SIMULIA公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。
2.1.2 ABAQUS主要的应用的领域
ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
2.1.3 ABAQUS的主要功能
ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。
2.1.4 ABAQUS提供的分析类型
ABAQUS产品主要分析功能有：1）静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等。2）动态分析：包括结构固有频率的提取，瞬态响应分析，稳态响应分析，以及随机响应分析等。3）粘弹性/粘塑性响应分析：粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析。4）热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析，质量扩散分析，静水压力造成的质量扩散和渗流分析等。5）耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等。6）非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等。7）瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题。8）准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题。9）退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟。10）海洋工程结构分析：对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟 对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟。11）对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟。12）水下冲击分析：对冲击载荷作用下的水下结构进行分析。13）疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估。14）设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计。
2.1.5 ABAQUS的操作界面
ABAQUS主界面
ABAQUS操作界面如上图所示，目前是已汉化版本，主要使用的是6.10版本。该软件的操作界面比较简洁。因此可以用该软件直接建模，再将模型进行网格划分和分析计算。这样能大大的提高工作效率。
2.2 ABAQUS分析步骤
1）创建部件
2）设置材料和截面特性
3）定义装配件
4）设置分析步和变量输出
5）施加载荷和边界条件
6）划分网格
7）提交作业，运行分析
8）结果后处理
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