基于有限元功率流的裂纹轴承座能量可视化研究

机械零件在机械动力工程引起的振动能量分布与传递一直以来是研究人员研究的方向之一。在实际结构振动中，多以零件的应力应变作为衡量振动大小的依据，缺少能量的概念。有限元功率流法就是基于结构的能量分析振动的特性。

三维轴承座结构广泛存在于机械工程结构中。轴承基座不仅为轴提供支撑，还承受轴传递的各向载荷。可靠的轴承座对于在减小轴在运转过程中的振动及保证机械设备能够正常作业方面具起到很重要的作用。利用有限元功率流方法对轴承座的振动能量流动的强度和方向进行分具有重要的理论意义和实用价值。有学者比较了有限元功率流法和导纳功率流法的结果，发现两者的结果十分吻合，同时证明基于有限元功率流方法的正确性。在众多学者的研究中较少文献对三维实体的功率流进行研究。在汉斯出版社《力学研究》期刊中，有学者以轴承座为研究对象，分析在受到简谐力作用下裂纹对轴承座的振动影响。实现了载荷冲击下裂纹轴承座的能量分布和传递的可视化研究。

计算机系统的应用越来越广泛，导致了大量数据的产生，对于数据的分析超出了人们的处理能力。因此有了可视化技术的发展。一般意义的可视化定义为：可视化是一种使复杂信息能够容易和快速被人理解的手段，是一种聚焦在信息重要特征的信息压缩语言，是可以放大人类感知的图形化表示方法。可视化就是把数据、信息和知识转化为可视的表示形式并获得对数据更深层次的认识的过程。

轴承座在长期的振动下可能会产生裂纹，裂纹的产生将会影响结构的刚度，进一步影响结构的固有频率等其他特性。有限元功率流可以用来分析裂纹轴承座的应力和能量分布，获得裂纹对轴承座结构的影响，从而为结构设计及安全运行提供依据。

本文基于有限元功率流法讨论了三维实体轴承座的振动能量传递特性，研究了裂纹对轴承座的能量分布和传递的影响，得到了以下结论：

1)利用有限元软件可视化了功率流云图和矢量图，得到了三维实体轴承座的稳态振动功率流图，通过功率流云图和矢量图可以清晰的看到当受到外部激励时，轴承座内部的能量大小、分布和传递路径。

2)利用实体单元细化模拟裂纹，得到了含有裂纹和不含有裂纹的轴承座功率流云图。分析了裂纹对轴承座功率流的影响。发现裂纹会影响功率流的流动方向，当功率流矢量经过裂纹时功率流矢量方向会发生突变，功率流的方向将沿着裂纹边缘流动。同时当能量通过裂纹时会发生耗散，导致裂纹上下部分的能量存在较大差异。

3)裂纹会加大结构的振动，含有裂纹的振动能量要高于不含有裂纹的振动能量。故有限元功率流研究三维轴承座的能量分布及传递特性为检测轴承座是否出现裂纹提供 了一种新的方法。

文章链接：https://doi.org/10.12677/IJM.2021.102008