[发明专利]一种泊松比可控结构隔套的优化设计方法

说明书

一种泊松比可控结构隔套的优化设计方法，步骤一、将隔套分为三层结构：最内部为与主轴配合的内层，中间为可实现变形的单胞层，最外侧为用于预紧力施加的实心结构层；步骤二、考虑隔套在主轴上应用，建立隔套‑轴系耦合分析模型，利用该模型分析不同转速时轴承受到的真正的预紧力；步骤三、以隔套真正施加在轴承上的预紧力与理论上轴承全速段最佳预紧力的误差最小化为目标，以中间层的单胞结构参数、拓扑结构参数为设计变量，采用优化方法，完成隔套的优化设计；本发明以隔套真正施加在轴承上的预紧力与理论上轴承全速段最佳预紧力的误差最小化为目标，能够得到单胞结构、拓扑结构的准确设计参数。

技术领域

本发明涉及主轴隔套结构优化设计领域，特别涉及一种泊松比可控结构隔套的优化设计方法。

背景技术

对于机床成对使用的角接触球轴承，调节预计力的方法是调节轴承内外圈的相对轴向位置。采用机械的方式推动轴承内圈和外圈轴向产生相对微小位移，改变预紧力。目前已知的隔套结构设计，根据温度的变化利用材料或介质的热特性进行调节，如温度敏感液体驱动调节和金属材料热伸长特性调节等方法。如中国专利CN1948775A《一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置》设计出一种双层结构的轴承隔套，根据主轴在不同转速下轴承的发热不同，利用双层套筒材料热膨胀系数不同引起的轴向膨胀量差值来实现轴承预紧力的施加。

以上专利所提出的隔套结构，更多的依赖于其温度效应，由于温度变化的滞后性，难以实现针对主轴工作转速变化的快速响应，同时由于材料温度-变形效应的不可设计性，预紧力调节精度难于控制。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种泊松比可控结构隔套的优化设计方法，可以使隔套真正施加在轴承上的预紧力与轴承全速段最佳预紧力的误差最小化，最终确定隔套的结构。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种泊松比可控结构隔套的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一、将隔套分为三层结构：最内部为与主轴配合的内层，中间为可实现变形的单胞层，最外侧为用于预紧力施加的实心结构层；

步骤二、考虑隔套在主轴上应用，建立隔套-轴系耦合分析模型，利用该模型分析不同转速时轴承受到的真正的预紧力。

步骤三、以隔套真正施加在轴承上的预紧力与理论上轴承全速段最佳预紧力的误差最小化为目标，以中间层的单胞结构参数、拓扑结构参数为设计变量，采用优化方法，完成隔套的优化设计。

所述的优化方法包括数值均匀化方法和参数水平集方法的集成以及正交实验法。

所述的数值均匀化方法和参数水平集方法的集成，数值均匀化方法用于获得周期性微结构的有效性质，参数水平集方法用于实现形状演变和微观结构的拓扑变化，直到获得所需的结构，其目标函数被定义为平方差之和最小化：

即

式中，d为空间维度，η为弹性张量，为有效弹性张量，为所需的弹性张量，隔套中间层的单胞结构为周期性对称分布的单元。

所述的正交实验法是隔套中间层选用内凹多边形，基于隔套的轴向力和轴向伸长量成正相关关系，优化内凹多边形的结构参数和孔隙率。

本发明具有如下有益效果：

本发明以隔套真正施加在轴承上的预紧力与理论上轴承全速段最佳预紧力的误差最小化为目标，得到单胞结构、拓扑结构的准确设计参数，完成隔套的优化设计。

附图说明

图1是隔套的结构示意图；其中：图1(a)是隔套结构轴向剖视图；图1(b)是隔套结构径向剖视图。

图2是隔套在高速旋转情况下的受力变形图；其中：图2(a)是轴向剖视图；图2(b)是径向剖视图。