吕 帅，沈雪瑾，黄宇锋

（上海大学机械自动化工程系，上海 200072）

1 引言

关节轴承又称球面滑动轴承，由一个带外球面的内圈和一个带内球面的外圈组成，能承受较大的载荷，一般用于速度较低的摆动运动。典型的关节轴承如图1所示，外圈的内球面和内圈的外球面相接触，组成摩擦副，当其承受工作载荷后，内球面和外球面间的接触面积随着载荷的增大而增大[1]。随着近几年机械工程等制造业的发展，关节轴承作为通用零件，现已广泛运用于航空航天机械、矿山冶金机械、烟草机械、包装机械等行业中。

目前已研制出的轴承数据查询系统大多都是针对滚动轴承，尚无针对关节轴承数据查询的软件或系统。

为了方便轴承使用人员对关节轴承选型，根据自己所拥有的数据进行更多相关数据查询，以及方便关节轴承设计人员了解关节轴承在实际使用中的受力和变形情况，该系统的研制就显得很有实用性和适时性。

Figure 1 Structural representation of spherical plain bearing图1 关节轴承结构示意图

2 系统的功能特点分析

根据国标上对关节轴承的分类标准，关节轴承分为四类，分别是向心关节轴承、角接触关节轴承、推力关节轴承、杆端关节轴承。每种关节轴承的外形特征和运用场合都不相同，关节轴承使用人员一般只接触和使用其中的一类轴承，故标准分类思想要尽量体现在系统的各个模块中。

关节轴承的精确选型需要考虑到在实际使用过程中的受力和变形情况，要了解受力和变形情况则需要通过有限元软件对其进行仿真实验和有限元分析，生成轴承应力分布图和位移分布图，供设计人员观察及研究。有限元分析软件具有专业复杂性，只有少部分专业人员才会使用，这就给那些普通轴承设计人员带来极大的障碍。基于此，该系统的有限元分析模块就显得非常实用，要实现复杂的有限元分析功能，自行编码研制显然不现实，根据集成系统的思想，若能与市场上和学术界常用的有限元软件进行集成，对其进行二次开发，则可在本系统简便地实现有限元分析功能。

该系统是计算机管理信息系统，面向关节轴承专业和非专业人员，故要求这个系统必须具有人性化、便捷性的特点。人性化和便捷性在本系统中的体现就是要为用户考虑，让用户根据关节轴承部分甚至是残缺的已知数据和信息，查询或分析出尽可能多的用户可能需要的轴承相关数据和信息；系统操作方法要简单，步骤应少而有效等。因此，总体来讲，该系统具有如下功能特点：

（1）具有交互式功能；

（2）具有按标准分类后的选型功能；

（3）可实现参数选择性输入查询功能；

（4）可实现精确查询和模糊查询；

（5）可通过多种方式对关节轴承相关数据进行查询；

（6）可实现数据的更新；

（7）可提供关节轴承的外形样图；

（8）方便有限元软件的非专业用户对关节轴承进行有限元分析。

3 开发平台的选择

本系统开发需要通过数据库软件进行数据存储，通过集成环境进行界面设计及与数据库的链接，实现与有限元分析软件的集成。

数据库的建立平台将选用市场上主流的关系型数据库软件Microsoft SQL Server 2008。SQL Server主要是通过表来存储系统数据和用户数据，表是整个SQL Server最核心的数据库对象，是其他几乎所有数据库对象的基础。在操作系统上，SQL Server数据库是作为数据文件和日志文件存在的。数据文件除了存储基本数字、文本等数据外，还可以存储图像，正好符合本系统的存储需求；日志文件用来存放事物日志，记录了对数据库的所有修改操作，可极大地方便数据库管理人员恢复数据文件和追溯数据相关信息。SQL（结构化查询语言）语言是ISO（国际标准化组织）采纳的标准数据库语言，通过使用Transact-SQL 语言，可以轻松编写数据库的“存储过程”、“索引”等数据库对象，以对数据查询和管理进行结构优化。

Visual Studio是微软公司推出的集成开发环境，可以用来创建Windows应用程序和网络应用程序，具有强大的界面设计功能，并可以通过简单的后台代码轻松链接并访问SQL Server数据库，所以集成开发环境将选择Visual Studio。

有限元软件广泛运用于工业和科学研究领域，Abaqus是国际社会公认的大型通用非线性有限元分析软件之一。它是一套功能强大的工程模拟有限元软件，可解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，包含一个全面支持求解器的图形用户界面（Abaqus／CAE），并提供了四种二次开发途径。

4 系统设计

4.1 系统功能模块的划分

该系统主要包括信息数据管理、数据查询、基于Abaqus的有限元分析三大模块。系统功能模块结构图如图2所示。

Figure 2 Structure of system module图2 系统功能模块结构图

主要子模块的功能如下：

（1）主参数检索。通过选择性地输入所具有的关节轴承部分或全部参数数据，精确或模糊查询出符合要求的所有数据。

（2）基本代号检索。基本代号是关节轴承的唯一标示，通过输入部分或完整基本代号，进行精确或模糊查询；还包含国内外基本代号对照查询功能。

（3）使用工况查询。根据用户所需轴承的使用工况查询符合工况的关节轴承。

（4）生产厂家信息查询。可以看到关节轴承生产厂家名称、地址、联系方式。

（5）关节轴承分类目录。在此可以查阅所有关节轴承的相关数据。

（6）生成并查看应力分布图或位移分布图。在本系统界面中输入相关必要参数，系统会自动依据输入的参数，后台运行Abaqus进行有限元分析，并在系统用户界面上显示Abaqus有限元分析后的关节轴承的应力分布或位移分布图，且可以实现图像导出功能。

4.2 系统设计流程

系统主要设计流程图如图3所示。

4.2.1 数据库的建立

关节轴承数据库的建立如图4所示。

轴承参数库主要通过四个数据表实现对四类关节轴承基本代号、外形参数、重量、额定载荷量、参考价格等相关数据的存储。轴承图形库用于存储各类型关节轴承所对应的样图。信息库包括常见的关节轴承生产厂家相关信息以及本系统的用户和权限信息。关节轴承代号由基本代号、补充代号及游隙组别代号三部分组成[2]。基本代号就是我们日常俗称的型号，通常是某种关节轴承的唯一标示，故确定以基本代号作为各类关节轴承数据表的主键。

数据表建立完成后，需要通过SQL Server后台的Transact-SQL编写“存储过程”，以对各数据表进行归类并实现查询结构优化，建立“索引”以提升数据查询速度，对表数据进行备份，以提升数据的安全性。

4.2.2 多种查询方式的界面设计

根据不同的查询功能模块，共设计了九个查询界面。其中主参数检索模块根据关节轴承分类标准设计了四个查询界面，查询界面上主要通过Checkbox（选择框）控件和Textbox（文本输入框）控件，实现外形参数的可选择性输入，通过Gridview（表显示框）实现查询结果的显示和自定义排列功能，且可以通过点击“样图与介绍”链接，查看该型号关节轴承的样图和简要介绍。

其他五个查询界面分别是：

（1）依据基本代号查询条件可以精确查询和模糊查询的基本代号检索界面和国内外基本代号对照查询界面；

（2）提供“关节轴承类型”、“是否自润滑”、“载荷方向与大小”、“轴承重量”四个查询条件的使用工况检索界面；

（3）显示生产厂家信息的查询界面；

（4）显示关节轴承所有相关信息的阅览界面。

4.2.3 通过脚本接口实现与Abaqus的集成

Abaqus软件主要提供了四种二次开发的接口。一是通过环境初始化文件可以改变Abaqus的许多缺省值设置；二是用户子程序接口，可以开发新模型，控制计算过程和结果；三是图形用户接口工具包，可以创建新的图形用户界面和用户交互；四是Abaqus脚本接口，通过内核脚本可以实现前处理建模和后处理分析计算结果[3]。

本系统将采用第四种二次开发途径，运用前三种接口针对Abaqus的二次开发成果最终都需要通过Abaqus／CAE软件操作界面来实现二次开发后的功能，Abaqus的脚本接口是在Python语言的基础上的定制开发，可以不通过Abaqus／CAE 的图形用户界面而直接与内核进行通信。脚本文件扩展名一般为.py[4]。

Abaqus有限元程序通过集成脚本语言Python向二次开发者提供了很多函数库。通过Python语言调用这些函数库可以极大地增强Abaqus的交互式操作功能，绕过Abaqus／CAE 界面，直接操纵Abaqus内核，实现建模、划分网格、提交作业、后处理分析结果等操作。

编写一个Python 文件实现关节轴承的仿真及有限元分析，从而得到关节轴承的受力和变形情况。首先使用from…import…语句导入系统环境函数合集，再新建一个模型，对其绘制外圈、内圈等，赋予材料属性，装配、设置分析步，定义边界条件，加载、划分网格，提交分析作业、后处理，输出云纹图。

为了实现所编写的Python文件的通用性，需要对调试成功的Python 文件里的相关参数变量化。考虑关节轴承的材料属性以及边界条件较为固定，而不同的使用场合下，关节轴承的内径、外径、内圈宽度、外圈宽度等外形尺寸，以及实际使用过程中加载力的大小、轴承摆动速度、轴的长度等有着相应的差异，故对以上几个参数进行变量化。

从用户参数输入界面需输入的参数就是Python文件中的参数变量，然后用户只需点击分析并显示应力分布图或位移分布图按钮，即可得到自己所需结果，且可以实现图像导出模块的代码运行流程，如图5所示。

Figure 5 Finite element analysis module图5 有限元分析模块

4.3 系统使用流程

该系统用户分为系统管理员和普通用户，普通用户除了使用查询功能和基于Abaqus有限元分析功能外，还可以在系统中进行关节轴承相关数据添加和更新的申请；系统管理员具有管理普通用户信息的权限，审核数据添加与更新的申请。

具体的流程如图6所示。

Figure 6 System flow chart图6 系统使用流程图

5 系统测试实例

登录本系统，进入查询模块，以推力关节轴承主参数查询为例，如选择轴承内径并输入140，选择座圈宽度输入54，点击查询按钮后，查询结果如图7所示，查询结果是以GX140S和GX140T 为代号的这两种推力关节轴承。点击GX140S型号数据中的“样图与介绍”，则会弹出包含S型推力关节轴承样图和简要介绍的框体。

以基于Abaqus有限元分析功能模块为例，进入有限元分析模块，选择向心关节轴承，在图8所示的输入界面上，输入内径、外径、内圈宽度、外圈宽度、载荷、摆动速度等参数，点击“Abaqus有限元分析”、“查看应力分布图”按钮，即可得到如图9所示的关节轴承应力分布图，即可读出最大Mises应力值。

6 结束语

本系统不但可以极大地方便关节轴承使用人员查询相关数据，可以快速且不通过有限元分析软件的操作，让设计人员了解其在实际使用工况下的受力和变形情况，大大提高了工作效率，推进了关节轴承领域的自动化进程。本系统中与机械领域中常用的有限元分析软件通过编写脚本文件进行集成，以实现非专业用户可进行专业分析的设计理念和用途，可推广到其他机械领域。

[1]Cao Lei.Thermal analysis and wear simulation of spherical plain bearings with self-lubricating fabric liner[D].Shanghai：Shanghai University，2010.（in Chinese）

[2]GB／T304.2-2002.Classification standards of spherical plain bearing[S].Beijing：General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，2002.（in Chinese）

[3]Cheng Ling，Li Hai-bo.Second development of Abaqus based on the scripting interface[J].Modern Machinery，2009（2）：58-65.（in Chinese）

[4]Cao Jin-feng，Wang Xu-chun，Kong Liang.The application of Python language in the Abaqus[M].Beijing：Mechanical Industry Press，2011.（in Chinese）

[5]Le Xi-yong.Research of rolling bearing design and calculate system[D].Anhui：Hefei University of Technology，2007.（in Chinese）

[6]Singh D S，Majumdar B C.Computer-aided design of hydrodynamic journal bearings considering thermal effects[J].Journal of Engineering Tribology，2005，2.9（2）：133-143.

附中文参考文献：

[1]曹磊.织物衬垫自润滑关节轴承热性能分析及磨损模拟[D].上海：上海大学，2010.

[2]GB／T304.2-2002.关节轴承代号方法[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2002.

[3]成玲，李海波.基于脚本语言的Abaqus二次开发[J].现代机械，2009（2）：58-65.

[4]曹金风，王旭春，孔亮.Python语言在Abaqus中的应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]勒习永.滚动轴承设计与计算系统的研制[D].安徽：合肥工业大学，2007.