基于循环对称理论的轮轴接触力学特性分析

基于循环对称理论的轮轴接触力学特性分析

摘要：基于循环对称理论，结构进行了循环对称接触动力分析，得到了循环分析下的滑移距离、侵入量、间隙以及接触压力，与传统的整体分析方法相比，分析速度更快，结果更准，各参量分布更均匀，有效验证了基于循环对称理论的轮轴接触力学分析方法的科学性与可行性。

关键词：循环对称轮轴接触动力分析

轮轴类旋转部件接触力学分析一直以来都受到了国内外专家的广泛关注，根据循环对称结构的特点，利用结构在几何、载荷、位移及边界条件上的循环对称性，以循环对称结构动力学理论为基础，将问题缩减为对一个典型子结构的分析。

20世纪70年代末期，Thomas[1]提出了一种研究循环对称结构动力特性的方法，他首先根据循环对称结构的一个基本扇形段建立有限元子结构模型，通过对结构施加复约束条件来考虑结构其它部分对模型的影响，由此导出了复Hermite矩阵的广义特征值问题。80年代中期，Ramamurti[2]等对循环对称结构作了一系列的静、动力特性研究，提出了充分利用外存的各种算法，进一步简化了循环对称结构固有振动特性的计算。在国内，学者钟万勰[3]等利用群论建立了一套分析对称结构的有效算法，胡海岩，程德林[4]提出了计算循环对称结构振动特性的广义模态综合法，张锦、王文亮等[5]将群论应用于循环

对称壳体和简化的叶片轮盘结构的振动分析中。

1 循环对称下的接触分析

1.1 模型处理与载荷约束

应用Solidworks将完整的叶轮与轴装配体模型切割成19部分，得到单个叶片的三维CAD模型。

1.2 划分网格

由于所分析结构为循环对称，在分析中插入mesh control，对各个对称面的网格进行匹配，因为当对称面的网格分布及形状完全吻合时才能进行循环对称分析。网格划分中单元网格大小为2mm，网格数为45326个。对轴靠近轴心部分进行挖空处理，得到一圆柱曲面，在此面上加载圆周约束，在轴两端面加固定约束，整体加转速。

1.3 模型求解与后处理

在分析中插入Contact Tool，查看各项接触参数。图1给出了循环对称分析下轮轴接触面滑移距离、侵入量、间隙以及接触压力的分布。

和整体分析的结果相比，循环对称分析下应力分布更加均匀，最大滑移距离为0.0078mm，与整体分析结果非常接近，且发生在接触面边缘；两接触面侵入量更小，且分布也更加均匀，轮轴接触面间隙同样获得了更理想的分布状态，最大值为0mm，最小值发生在接触边缘为-0.073mm，与整体分析结果-0.072mm非常接近，接触压力最大值为109.44MPa，均匀分布。

2 结语

通过对循环对称约束的轮轴进行接触分析，发现循环对称分析下

的接触状态更加理想，侵入量更小，侵入量、接触压力以及两接触面间隙分布也更加均匀，且循环对称分析的运算速度要大大快于整体分析。进而有效证明了基于循环对称下轮轴接触力学分析方法的可行性与科学性。

参考文献

[1] Thomas.Danamics of rotationally periodicstructure[J].Intemational Joumal Methords in Engineering，V ol.14，1979.

[2] Balasubramannian P and Ramamurti V.An Equation Solver for Eigenvalue Problems of Cyclic Symmetric Struc-tures[J].Computers & Structures，V ol.26，1987.

[3] 钟万勰,程耿东,裘春航.群论在结构分析中的应用[J],大连理工大学学报,1978,N0.1.

[4] 胡海岩,程德林.循环对称结构振动分析的广义模态综合法[J].振动与冲击，1986,4：1-7.

[5] 张锦,王文亮.结构动力学[M],上海,复旦大学出版社,1991.