机械系统中滚动轴承多体接触动力学研究

滚动轴承动力学研究通常采用等效弹簧阻尼器模拟滚动轴承的整体支承刚度或局部接触刚度参数，忽略了滚动体和套圈、保持架的动态接触关系、套圈结构弹性变形，尚不能完全描述滚动轴承的动态接触振动响应和考虑滚动轴承动态性能的机械系统动力学特性。本课题针对滚动体和套圈、保持架的动态多体接触、多参数耦合和时变非线性等难点问题对滚动轴承多体接触动力学问题展开研究。运用曲线梁理论、多体动力学方法和三角网格法，建立外圈等效力学模型、滚动体和套圈、保持架的动态接触力学模型和滚动轴承多体接触动力学分析模型；研究动态接触算法和动力学分析的广义-α方法，计算模拟运转状态下滚动轴承的动态特性和接触振动响应，进一步认识滚动轴承的接触振动规律，进而研究考虑滚动轴承动态性能的机械系统动力学特性。对以动力学特性为目标的滚动轴承和机械系统动力学研究和工程应用具有理论指导意义，进一步丰富完善滚动轴承振动理论和机械系统动力学分析方法。

具有连续和间歇的多体动态接触碰撞关系的滚动轴承及其系统动力学问题备受关注，成为保证和提高机械系统的动态性能及其工作可靠性的关键所在。本项目对滚动轴承多体接触动态性能和考虑滚动轴承的机械系统动力学特性进行了理论研究和计算分析。提出了以分段的外圈刚体单元和铁木辛柯梁单元的集中质量参数等效力学模型描述外圈的结构弹性变形和运动的方法，可用于考虑外圈结构弹性变形的高速、轻薄轻量化或大型滚动轴承及其系统动力学研究。从理论上导出了套圈滚道的表面描述方程，获得了套圈体坐标系下相对位置和方向不变的三角网格模型，可应用于规则有序表面的接触动力学研究，丰富了接触动力学理论。完成了考虑滚动体、套圈和保持架动态接触关系的滚动轴承动力学规律研究，进一步提出考虑滚动轴承动态性能的机械系统动态设计和动力学分析的新方法。.对滚动轴承动力学分析发现润滑摩擦下保持架的运动规律和滚动体、套圈和保持架的动态接触碰撞作用的关系，发展了滚动轴承动力学理论。联合载荷下滚动体和套圈滚道的动态接触力是正弦双峰变化的，滚动体的旋滚比是周期变化的，角加速度与动态接触力有相同的谐波倍频成分。中等载荷下保持架出现多频拟周期的平动运动和周期的自旋运动规律。对滚动轴承系统动力学研究发现多体动力学规律，滚动轴承具有不同的接触振动特性，支承性能及其对系统的影响规律，保持架的稳定性与涡动规律，丰富了滚动轴承结合部的动力学分析方法。.开发了滚动轴承-转子试验台，不同品牌轴承的振动幅值差异较大，振动频谱中并没有出现柔性外圈的自由振动频率，主要是耦合振动频率，角速度频率及其谐波倍频成分。预紧力对加速度振动响应的频率值和频谱成分有着重要的影响，润滑对加速度振动响应的频率值影响相对较小，但对振动幅值的影响很大。