呂 帥，沈雪瑾，黃宇鋒

（上海大學(xué)機(jī)械自動化工程系，上海 200072）

1 引言

關(guān)節(jié)軸承又稱球面滑動軸承，由一個帶外球面的內(nèi)圈和一個帶內(nèi)球面的外圈組成，能承受較大的載荷，一般用于速度較低的擺動運(yùn)動。典型的關(guān)節(jié)軸承如圖1所示，外圈的內(nèi)球面和內(nèi)圈的外球面相接觸，組成摩擦副，當(dāng)其承受工作載荷后，內(nèi)球面和外球面間的接觸面積隨著載荷的增大而增大[1]。隨著近幾年機(jī)械工程等制造業(yè)的發(fā)展，關(guān)節(jié)軸承作為通用零件，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于航空航天機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、煙草機(jī)械、包裝機(jī)械等行業(yè)中。

目前已研制出的軸承數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)大多都是針對滾動軸承，尚無針對關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)查詢的軟件或系統(tǒng)。

為了方便軸承使用人員對關(guān)節(jié)軸承選型，根據(jù)自己所擁有的數(shù)據(jù)進(jìn)行更多相關(guān)數(shù)據(jù)查詢，以及方便關(guān)節(jié)軸承設(shè)計人員了解關(guān)節(jié)軸承在實(shí)際使用中的受力和變形情況，該系統(tǒng)的研制就顯得很有實(shí)用性和適時性。

Figure 1 Structural representation of spherical plain bearing圖1 關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)分析

根據(jù)國標(biāo)上對關(guān)節(jié)軸承的分類標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)節(jié)軸承分為四類，分別是向心關(guān)節(jié)軸承、角接觸關(guān)節(jié)軸承、推力關(guān)節(jié)軸承、桿端關(guān)節(jié)軸承。每種關(guān)節(jié)軸承的外形特征和運(yùn)用場合都不相同，關(guān)節(jié)軸承使用人員一般只接觸和使用其中的一類軸承，故標(biāo)準(zhǔn)分類思想要盡量體現(xiàn)在系統(tǒng)的各個模塊中。

關(guān)節(jié)軸承的精確選型需要考慮到在實(shí)際使用過程中的受力和變形情況，要了解受力和變形情況則需要通過有限元軟件對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和有限元分析，生成軸承應(yīng)力分布圖和位移分布圖，供設(shè)計人員觀察及研究。有限元分析軟件具有專業(yè)復(fù)雜性，只有少部分專業(yè)人員才會使用，這就給那些普通軸承設(shè)計人員帶來極大的障礙。基于此，該系統(tǒng)的有限元分析模塊就顯得非常實(shí)用，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的有限元分析功能，自行編碼研制顯然不現(xiàn)實(shí)，根據(jù)集成系統(tǒng)的思想，若能與市場上和學(xué)術(shù)界常用的有限元軟件進(jìn)行集成，對其進(jìn)行二次開發(fā)，則可在本系統(tǒng)簡便地實(shí)現(xiàn)有限元分析功能。

該系統(tǒng)是計算機(jī)管理信息系統(tǒng)，面向關(guān)節(jié)軸承專業(yè)和非專業(yè)人員，故要求這個系統(tǒng)必須具有人性化、便捷性的特點(diǎn)。人性化和便捷性在本系統(tǒng)中的體現(xiàn)就是要為用戶考慮，讓用戶根據(jù)關(guān)節(jié)軸承部分甚至是殘缺的已知數(shù)據(jù)和信息，查詢或分析出盡可能多的用戶可能需要的軸承相關(guān)數(shù)據(jù)和信息；系統(tǒng)操作方法要簡單，步驟應(yīng)少而有效等。因此，總體來講，該系統(tǒng)具有如下功能特點(diǎn)：

（1）具有交互式功能；

（2）具有按標(biāo)準(zhǔn)分類后的選型功能；

（3）可實(shí)現(xiàn)參數(shù)選擇性輸入查詢功能；

（4）可實(shí)現(xiàn)精確查詢和模糊查詢；

（5）可通過多種方式對關(guān)節(jié)軸承相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；

（6）可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新；

（7）可提供關(guān)節(jié)軸承的外形樣圖；

（8）方便有限元軟件的非專業(yè)用戶對關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元分析。

3 開發(fā)平臺的選擇

本系統(tǒng)開發(fā)需要通過數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通過集成環(huán)境進(jìn)行界面設(shè)計及與數(shù)據(jù)庫的鏈接，實(shí)現(xiàn)與有限元分析軟件的集成。

數(shù)據(jù)庫的建立平臺將選用市場上主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件Microsoft SQL Server 2008。SQL Server主要是通過表來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，表是整個SQL Server最核心的數(shù)據(jù)庫對象，是其他幾乎所有數(shù)據(jù)庫對象的基礎(chǔ)。在操作系統(tǒng)上，SQL Server數(shù)據(jù)庫是作為數(shù)據(jù)文件和日志文件存在的。數(shù)據(jù)文件除了存儲基本數(shù)字、文本等數(shù)據(jù)外，還可以存儲圖像，正好符合本系統(tǒng)的存儲需求；日志文件用來存放事物日志，記錄了對數(shù)據(jù)庫的所有修改操作，可極大地方便數(shù)據(jù)庫管理人員恢復(fù)數(shù)據(jù)文件和追溯數(shù)據(jù)相關(guān)信息。SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）語言是ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫語言，通過使用Transact-SQL 語言，可以輕松編寫數(shù)據(jù)庫的“存儲過程”、“索引”等數(shù)據(jù)庫對象，以對數(shù)據(jù)查詢和管理進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

Visual Studio是微軟公司推出的集成開發(fā)環(huán)境，可以用來創(chuàng)建Windows應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，具有強(qiáng)大的界面設(shè)計功能，并可以通過簡單的后臺代碼輕松鏈接并訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，所以集成開發(fā)環(huán)境將選擇Visual Studio。

有限元軟件廣泛運(yùn)用于工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，Abaqus是國際社會公認(rèn)的大型通用非線性有限元分析軟件之一。它是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，可解決從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題，包含一個全面支持求解器的圖形用戶界面（Abaqus／CAE），并提供了四種二次開發(fā)途徑。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)功能模塊的劃分

該系統(tǒng)主要包括信息數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、基于Abaqus的有限元分析三大模塊。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

Figure 2 Structure of system module圖2 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

主要子模塊的功能如下：

（1）主參數(shù)檢索。通過選擇性地輸入所具有的關(guān)節(jié)軸承部分或全部參數(shù)數(shù)據(jù)，精確或模糊查詢出符合要求的所有數(shù)據(jù)。

（2）基本代號檢索。基本代號是關(guān)節(jié)軸承的唯一標(biāo)示，通過輸入部分或完整基本代號，進(jìn)行精確或模糊查詢；還包含國內(nèi)外基本代號對照查詢功能。

（3）使用工況查詢。根據(jù)用戶所需軸承的使用工況查詢符合工況的關(guān)節(jié)軸承。

（4）生產(chǎn)廠家信息查詢?？梢钥吹疥P(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)廠家名稱、地址、聯(lián)系方式。

（5）關(guān)節(jié)軸承分類目錄。在此可以查閱所有關(guān)節(jié)軸承的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（6）生成并查看應(yīng)力分布圖或位移分布圖。在本系統(tǒng)界面中輸入相關(guān)必要參數(shù)，系統(tǒng)會自動依據(jù)輸入的參數(shù)，后臺運(yùn)行Abaqus進(jìn)行有限元分析，并在系統(tǒng)用戶界面上顯示Abaqus有限元分析后的關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)力分布或位移分布圖，且可以實(shí)現(xiàn)圖像導(dǎo)出功能。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計流程

系統(tǒng)主要設(shè)計流程圖如圖3所示。

4.2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)庫的建立如圖4所示。

軸承參數(shù)庫主要通過四個數(shù)據(jù)表實(shí)現(xiàn)對四類關(guān)節(jié)軸承基本代號、外形參數(shù)、重量、額定載荷量、參考價格等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。軸承圖形庫用于存儲各類型關(guān)節(jié)軸承所對應(yīng)的樣圖。信息庫包括常見的關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)廠家相關(guān)信息以及本系統(tǒng)的用戶和權(quán)限信息。關(guān)節(jié)軸承代號由基本代號、補(bǔ)充代號及游隙組別代號三部分組成[2]?；敬柧褪俏覀?nèi)粘Ｋ追Q的型號，通常是某種關(guān)節(jié)軸承的唯一標(biāo)示，故確定以基本代號作為各類關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)表的主鍵。

數(shù)據(jù)表建立完成后，需要通過SQL Server后臺的Transact-SQL編寫“存儲過程”，以對各數(shù)據(jù)表進(jìn)行歸類并實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立“索引”以提升數(shù)據(jù)查詢速度，對表數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以提升數(shù)據(jù)的安全性。

4.2.2 多種查詢方式的界面設(shè)計

根據(jù)不同的查詢功能模塊，共設(shè)計了九個查詢界面。其中主參數(shù)檢索模塊根據(jù)關(guān)節(jié)軸承分類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了四個查詢界面，查詢界面上主要通過Checkbox（選擇框）控件和Textbox（文本輸入框）控件，實(shí)現(xiàn)外形參數(shù)的可選擇性輸入，通過Gridview（表顯示框）實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)果的顯示和自定義排列功能，且可以通過點(diǎn)擊“樣圖與介紹”鏈接，查看該型號關(guān)節(jié)軸承的樣圖和簡要介紹。

其他五個查詢界面分別是：

（1）依據(jù)基本代號查詢條件可以精確查詢和模糊查詢的基本代號檢索界面和國內(nèi)外基本代號對照查詢界面；

（2）提供“關(guān)節(jié)軸承類型”、“是否自潤滑”、“載荷方向與大小”、“軸承重量”四個查詢條件的使用工況檢索界面；

（3）顯示生產(chǎn)廠家信息的查詢界面；

（4）顯示關(guān)節(jié)軸承所有相關(guān)信息的閱覽界面。

4.2.3 通過腳本接口實(shí)現(xiàn)與Abaqus的集成

Abaqus軟件主要提供了四種二次開發(fā)的接口。一是通過環(huán)境初始化文件可以改變Abaqus的許多缺省值設(shè)置；二是用戶子程序接口，可以開發(fā)新模型，控制計算過程和結(jié)果；三是圖形用戶接口工具包，可以創(chuàng)建新的圖形用戶界面和用戶交互；四是Abaqus腳本接口，通過內(nèi)核腳本可以實(shí)現(xiàn)前處理建模和后處理分析計算結(jié)果[3]。

本系統(tǒng)將采用第四種二次開發(fā)途徑，運(yùn)用前三種接口針對Abaqus的二次開發(fā)成果最終都需要通過Abaqus／CAE軟件操作界面來實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)后的功能，Abaqus的腳本接口是在Python語言的基礎(chǔ)上的定制開發(fā)，可以不通過Abaqus／CAE 的圖形用戶界面而直接與內(nèi)核進(jìn)行通信。腳本文件擴(kuò)展名一般為.py[4]。

Abaqus有限元程序通過集成腳本語言Python向二次開發(fā)者提供了很多函數(shù)庫。通過Python語言調(diào)用這些函數(shù)庫可以極大地增強(qiáng)Abaqus的交互式操作功能，繞過Abaqus／CAE 界面，直接操縱Abaqus內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)建模、劃分網(wǎng)格、提交作業(yè)、后處理分析結(jié)果等操作。

編寫一個Python 文件實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承的仿真及有限元分析，從而得到關(guān)節(jié)軸承的受力和變形情況。首先使用from…import…語句導(dǎo)入系統(tǒng)環(huán)境函數(shù)合集，再新建一個模型，對其繪制外圈、內(nèi)圈等，賦予材料屬性，裝配、設(shè)置分析步，定義邊界條件，加載、劃分網(wǎng)格，提交分析作業(yè)、后處理，輸出云紋圖。

為了實(shí)現(xiàn)所編寫的Python文件的通用性，需要對調(diào)試成功的Python 文件里的相關(guān)參數(shù)變量化?？紤]關(guān)節(jié)軸承的材料屬性以及邊界條件較為固定，而不同的使用場合下，關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)徑、外徑、內(nèi)圈寬度、外圈寬度等外形尺寸，以及實(shí)際使用過程中加載力的大小、軸承擺動速度、軸的長度等有著相應(yīng)的差異，故對以上幾個參數(shù)進(jìn)行變量化。

從用戶參數(shù)輸入界面需輸入的參數(shù)就是Python文件中的參數(shù)變量，然后用戶只需點(diǎn)擊分析并顯示應(yīng)力分布圖或位移分布圖按鈕，即可得到自己所需結(jié)果，且可以實(shí)現(xiàn)圖像導(dǎo)出模塊的代碼運(yùn)行流程，如圖5所示。

Figure 5 Finite element analysis module圖5 有限元分析模塊

4.3 系統(tǒng)使用流程

該系統(tǒng)用戶分為系統(tǒng)管理員和普通用戶，普通用戶除了使用查詢功能和基于Abaqus有限元分析功能外，還可以在系統(tǒng)中進(jìn)行關(guān)節(jié)軸承相關(guān)數(shù)據(jù)添加和更新的申請；系統(tǒng)管理員具有管理普通用戶信息的權(quán)限，審核數(shù)據(jù)添加與更新的申請。

具體的流程如圖6所示。

Figure 6 System flow chart圖6 系統(tǒng)使用流程圖

5 系統(tǒng)測試實(shí)例

登錄本系統(tǒng)，進(jìn)入查詢模塊，以推力關(guān)節(jié)軸承主參數(shù)查詢?yōu)槔?，如選擇軸承內(nèi)徑并輸入140，選擇座圈寬度輸入54，點(diǎn)擊查詢按鈕后，查詢結(jié)果如圖7所示，查詢結(jié)果是以GX140S和GX140T 為代號的這兩種推力關(guān)節(jié)軸承。點(diǎn)擊GX140S型號數(shù)據(jù)中的“樣圖與介紹”，則會彈出包含S型推力關(guān)節(jié)軸承樣圖和簡要介紹的框體。

以基于Abaqus有限元分析功能模塊為例，進(jìn)入有限元分析模塊，選擇向心關(guān)節(jié)軸承，在圖8所示的輸入界面上，輸入內(nèi)徑、外徑、內(nèi)圈寬度、外圈寬度、載荷、擺動速度等參數(shù)，點(diǎn)擊“Abaqus有限元分析”、“查看應(yīng)力分布圖”按鈕，即可得到如圖9所示的關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力分布圖，即可讀出最大Mises應(yīng)力值。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)不但可以極大地方便關(guān)節(jié)軸承使用人員查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，可以快速且不通過有限元分析軟件的操作，讓設(shè)計人員了解其在實(shí)際使用工況下的受力和變形情況，大大提高了工作效率，推進(jìn)了關(guān)節(jié)軸承領(lǐng)域的自動化進(jìn)程。本系統(tǒng)中與機(jī)械領(lǐng)域中常用的有限元分析軟件通過編寫腳本文件進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)非專業(yè)用戶可進(jìn)行專業(yè)分析的設(shè)計理念和用途，可推廣到其他機(jī)械領(lǐng)域。

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