面向對象的軸承組件動態響應分析有限元程序開發及應用

李 亮，徐 俊，胡 甫，馬 立，王福榮，李江斌

（洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039）

1 引言

目前，有限元大型軟件如ANSYS、ABAQUS等已趨于成熟[1]，但這些都是通用軟件，適用面廣，在結構優化設計和分析時，需要反復調用及前后處理，并且需要花費很多時間和精力才能熟練掌握。而適用于專業領域的軟件具有很強的針對性，能有效解決實際問題，因此，開發適用于專業領域的軟件具有實際意義。

隨著有限元理論技術的發展，各種相應的程序也應運而生，大都采用 FORTRAN 語言[2]，而不斷增強的有限元軟件功能，相應的程序也隨之變得龐大，用結構化的編程方式實現這樣的軟件系統，其可重用性、可維護性和可擴充性差。而面向對象程序設計技術具有開發效率高，可靠性高，擴充性強等優點，能夠解決結構化程序設計所不能解決的代碼重用問題。

本文旨在進行軸承組件在不同工況下動態響應分析研究，為軸承組件結構動力優化設計及故障診斷奠定基礎。借鑒過去幾十年來有限元技術的發展成果，基于軸承組件有限元模型的構建，利用VC++6.0可視化語言的面向對象技術，開發了一個可以求解軸承組件動態性能分析的專用有限元程序，并進行分析與試驗驗證。

2 面向對象有限元程序的實現

2.1 編程語言和編程平臺

實現面向對象理論特性的編程語言，如C++、VB等，C++具有明顯的優勢，由Microsoft Visual C++是微軟公司推出的C++開發工具，具有集成開發環境，可進行可視化面向對象軟件開發，具有可擴充性、方便調試、運行快速及編輯簡潔等顯著優點，尤其是適用于復雜計算模型。因此，本文以Window 7為平臺，利用VC++6.0可視化語言，開發軸承組件動態性能分析的專用有限元程序。

2.2 程序系統分析

程序系統總體設計時，實現調用各對象功能操作，達到解答問題的目標。主要包括：

1）數據的存取和處理設計。對象分析涉及大量描述模型的數據，通過數據文件直接讀入。計算分析過程完成后，按照一定的數據格式進行儲存或者通過圖形和數據顯示直觀表達分析結果。

2）用戶接口及相應過程設計。面向對象方法采用消息傳遞的方式進，在界面發消息，程序按消息調用某個對象的操作，從而完成用戶所需的功能操作，而面向對象分析是運用面向對象方法，對系統進行分析，定義這些類和對象的屬性和方法，以及它們之間的結構、靜態聯系和動態聯系。

為實現上述功能要求，一方面考慮各個功能模塊之間的相對獨立性，保證程序易于擴充、便于維護，另一方面著重注意各功能模塊之間的接口及數據傳輸機制，保證程序高效運行，為此，程序系統設計三個功能模塊：計算模塊、數據文件模塊和可視化模塊，如圖1所示。

圖1 有限元程序模型構成框架

2.3 程序系統模型構建

有限元程序系統分析前應進行前處理，前處理需要進行結構建模，即對結構各種控制信息進行處理，包括結構的邊界條件、載荷工況、本構模型（材料特）及幾何尺寸等基本信息。建模方法采用以文本方式輸入生成數據文件，生成數據，形成有限元網格并以圖形顯示。主要數據：①載荷信息數據，包括動力載荷、體力、面力和集中力等；②材料數據，包括密度、泊松比、彈性模量、質量矩陣和剛度矩陣等；③單元數據，包括高斯積分點數據、單元材料數據、單元類型和單元聯絡性數據等；④節點數據，包括邊界條件、節點位移、節點力、節點自由度和節點坐標等；⑤描述有限元分析的整體數據，如材料的種類數、維數、節點總數和單元總數等。軸承組件有限元網格模型如圖2所示。

圖2 軸承組件有限元網格模型

2.4 有限元計算分析程序

動態響應的計算結果涉及到計算可視化技術，本文采取了軟件實現上比較方便的事后處理方式，就是計算過程與計算結果的可視化分成兩個階段來進行，兩者之間不發生交互作用。在靜力學分析的基礎上編制動力學程序，利用面向對象的繼承和封裝兩大特點，在分析類中增加相應的函數，其類及函數如下：

2.5 結構分析后處理

面向對象有限元的后處理的思想是通過程序語言來形容圖形，利用計算機將數字語言轉換為圖形。VC++中專門設計了串行化來解決在面向對象的程序設計中對象的存儲和構造困難的問題。

本文對前處理生成模型、計算程序和后處理流程中，數據文件均采用文本方式，數據的傳遞是通過對數據文件的打開、讀取數據等操作來實現。進行后處理時，利用VC++程序語言，從計算程序輸出的數據中獲得需要的數據，編制繪圖函數，文檔串行化功能，通過一個CArchive對象（void CLiLiDoc：：Serialize（CArchive&ar））來實現管理數據資料的功能，只要對串行化函數進行重載，就可容易實現圖形的儲存和讀取。本程序在計算的過程中將每步計算的圖形儲存下來，執行對應的命令后在可視化圖窗口中顯示相應的模態、動態響應歷程以及頻譜分析直觀圖，分別如圖3～5所示，在計算結束后，做成了動畫再次模擬結構的動力響應過程。

圖3 一階模態振型

圖4 動態響應歷程

圖5 頻譜分析

2.6 面向對象有限元程序

軸承組件動態響應的面向對象有限元分析過程的直觀圖如圖6所示。首先前處理需讀入建模數據形成有限元網格模型，通過有限元計算，獲得到大量的數據，然后利用程序對這些數據進行后處理，經過分析和整理，使用可視化技術，最終轉換為直觀的圖形。

圖6 動態面向對象有限元分析過程可用直觀圖

2.7 程序界面設計

程序界面包括有限元應用程序主界面、計算模型界面、自振頻率分析界面及動態響應分析界面等，其中動態響應分析界面如圖7所示。

圖7 動態響應分析界面

3 應用分析

3.1 軸承組件工況

軸承組件軸向載荷為40N，轉速為3 000r/min工況下，對支承軸頂端內環A點進行動態響應頻譜分析，其結構如圖8所示。

圖8 軸承組件

3.2 理論與試驗對比

軸承組件頻譜分析計算值與試驗[11]值對比，見下表。

表 軸承組件最大峰值頻率試驗與計算結果

結果表明，軸承組件最大振動峰值處頻率的理論值，相對試驗值誤差為4.67%，吻合較好，驗證了開發的軸承組件動態響應分析程序的可行性和正確性。

4 結論

基于VC++6.0開發平臺，運用有限元方法和原理，開發了基于面向對象的軸承組件動態性能分析的專用軟件系統，對軸承組件支承軸頂端內環一頂點的動態性能進行了計算分析，與試驗結果對比，證明了程序的可行性和正確性，為軸承組件系統的優化設計提供理論支持，具有實際意義，對其他大型有限元軟件二次開發具有指導作用。