Моделирование гидродинамических подшипников в ANSYS Motion

Гидродинамические подшипники (EHD) – это подшипники, в которых нагрузку воспринимает тонкий слой жидкости. Область применения данных подшипников достаточно широкая:

• Подшипники коленчатого и распределительного валов ДВС.
• Прецизионные станки, работающих при небольших нагрузках (например, шлифовальных).
• В компьютерных жестких дисках.
• В насосах (например, РБМК-1000) и т.д.

Для моделирования гидродинамических подшипников в ANSYS Motion в рамках набора инструментов Drivetrain имеется специальный решатель EHD bearing solver, который использует теорию Рейнольдса.

Формулировка

Основным уравнением решателя для гидродинамических подшипников является уравнение Рейнольдса [1], для обеспечения постоянного градиента давления:

Для решения используется метод конечных разностей. В результате для двух поверхностей будут получены давления, которые в дальнейшем прикладываются в виде узловых сил.

Создание EHD-подшипника

При создании EHD-подшипника (рисунок 1) необходимо определить поверхности (Action и Base geometry), а также расположение и размеры. Рекомендуется отмечать чек-бокс Show Property Dialog для того, чтобы после создания определить необходимые свойства.

Рисунок 1 – Окно для создания гидродинамического подшипника

После создания подшипника требуется определить его свойства и возможно отредактировать расположение и геометрию (рисунок 2).

Имеется возможность определения динамической вязкости масла, качестве поверхности и сетке.

Рисунок 2 – Определение свойств подшипника

Пример

Рассмотрим пример моделирования гидродинамического подшипника. Для этого была создана модель на основе шаблона Drivetrain (рисунок 3).

Рисунок 3 – Создание модели по шаблону Drivetrain

Следующим шагом были созданы два цилиндрических тела: подшипник и вал. Внешний диаметр подшипника 35 мм, диаметр вала 30 мм с эксцентриситетом 0.25 мм и зазором 0.5 мм. Параметры и свойства подшипника и настройки сетки представлены на рисунках 4-6.

Рисунок 4 – Геометрические параметры подшипника

Рисунок 5 – Свойства подшипника

Рисунок 6 – Настройки сетки

В качестве граничных условий использовались шарниры: жестко закрепленное кольцо подшипника и вращательный шарнир для вала. Для вращательного шарнира была определена угловая скорость с помощью следующего выражения:

 График угловой скорости представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Угловая скорость вала, рад/сек

В качестве результатов были получены распределение сил (рисунок 8) и зависимость силы от времени (рисунок 9).

Рисунок 8 – Вектора узловых сил в подшипнике (плоскость XY)

Рисунок 9 – Зависимость сил от времени: красный – суммарная сила; зеленая – в направлении X; синяя – в направлении Y

Заключение

В рамках данной статьи были рассмотрены возможности моделирования гидродинамических подшипников в ANSYS Motion. Набор инструментов Drivetrain включает большое количество инструментов для создания моделей приводов и различных механизмов, а также инструменты постпроцессинга для получения типовых результатов, в том числе, инструменты для NVH-анализа.

Список литературы

1. D. DOWSON and G.R. HIGGINSON, Elasto-Hydrodynamic Lubrication, Pergamon Press, Oxford, 1977.