基于SQL Server和Abaqus的關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)查詢(xún)與性能分析系統(tǒng)＊

呂 帥，沈雪瑾，黃宇鋒

（上海大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化工程系，上海 200072）

1 引言

關(guān)節(jié)軸承又稱(chēng)球面滑動(dòng)軸承，由一個(gè)帶外球面的內(nèi)圈和一個(gè)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(dòng)運(yùn)動(dòng)。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(xún)系統(tǒng)大多都是針對(duì)滾動(dòng)軸承，尚無(wú)針對(duì)關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)查詢(xún)的軟件或系統(tǒng)。

為了方便軸承使用人員對(duì)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(xún)，以及方便關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)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(shí)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(guó)標(biāo)上對(duì)關(guān)節(jié)軸承的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)節(jié)軸承分為四類(lèi)，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(chǎng)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(lèi)軸承，故標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)思想要盡量體現(xiàn)在系統(tǒng)的各個(gè)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(guò)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(guò)有限元軟件對(duì)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(jì)人員觀察及研究。有限元分析軟件具有專(zhuān)業(yè)復(fù)雜性，只有少部分專(zhuān)業(yè)人員才會(huì)使用，這就給那些普通軸承設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的障礙?；诖?，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(chǎng)上和學(xué)術(shù)界常用的有限元軟件進(jìn)行集成，對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，則可在本系統(tǒng)簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)有限元分析功能。

該系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)，面向關(guān)節(jié)軸承專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)人員，故要求這個(gè)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(hù)考慮，讓用戶(hù)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(xún)或分析出盡可能多的用戶(hù)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(jiǎn)單，步驟應(yīng)少而有效等。因此，總體來(lái)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(lèi)后的選型功能；

（3）可實(shí)現(xiàn)參數(shù)選擇性輸入查詢(xún)功能；

（4）可實(shí)現(xiàn)精確查詢(xún)和模糊查詢(xún)；

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

（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(zhuān)業(yè)用戶(hù)對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元分析。

3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)集成環(huán)境進(jìn)行界面設(shè)計(jì)及與數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，實(shí)現(xiàn)與有限元分析軟件的集成。

數(shù)據(jù)庫(kù)的建立平臺(tái)將選用市場(chǎng)上主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)軟件Microsoft SQL Server 2008。SQL Server主要是通過(guò)表來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶(hù)數(shù)據(jù)，表是整個(gè)SQL Server最核心的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，是其他幾乎所有數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的基礎(chǔ)。在操作系統(tǒng)上，SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǔ)基本數(shù)字、文本等數(shù)據(jù)外，還可以存儲(chǔ)圖像，正好符合本系統(tǒng)的存儲(chǔ)需求；日志文件用來(lái)存放事物日志，記錄了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的所有修改操作，可極大地方便數(shù)據(jù)庫(kù)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(xún)語(yǔ)言）語(yǔ)言是ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采納的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言，通過(guò)使用Transact-SQL 語(yǔ)言，可以輕松編寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)的“存儲(chǔ)過(guò)程”、“索引”等數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象，以對(duì)數(shù)據(jù)查詢(xún)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(kāi)發(fā)環(huán)境，可以用來(lái)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(jì)功能，并可以通過(guò)簡(jiǎn)單的后臺(tái)代碼輕松鏈接并訪問(wèn)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，所以集成開(kāi)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(guó)際社會(huì)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(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題，包含一個(gè)全面支持求解器的圖形用戶(hù)界面（Abaqus／CAE），并提供了四種二次開(kāi)發(fā)途徑。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xún)、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(guò)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(xún)出符合要求的所有數(shù)據(jù)。

（2）基本代號(hào)檢索?；敬?hào)是關(guān)節(jié)軸承的唯一標(biāo)示，通過(guò)輸入部分或完整基本代號(hào)，進(jìn)行精確或模糊查詢(xún)；還包含國(guó)內(nèi)外基本代號(hào)對(duì)照查詢(xún)功能。

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

（4）生產(chǎn)廠家信息查詢(xún)。可以看到關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)廠家名稱(chēng)、地址、聯(lián)系方式。

（5）關(guān)節(jié)軸承分類(lèi)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(huì)自動(dòng)依據(jù)輸入的參數(shù)，后臺(tái)運(yùn)行Abaqus進(jìn)行有限元分析，并在系統(tǒng)用戶(hù)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(jì)流程

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

4.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

關(guān)節(jié)軸承數(shù)據(jù)庫(kù)的建立如圖4所示。

軸承參數(shù)庫(kù)主要通過(guò)四個(gè)數(shù)據(jù)表實(shí)現(xiàn)對(duì)四類(lèi)關(guān)節(jié)軸承基本代號(hào)、外形參數(shù)、重量、額定載荷量、參考價(jià)格等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。軸承圖形庫(kù)用于存儲(chǔ)各類(lèi)型關(guān)節(jié)軸承所對(duì)應(yīng)的樣圖。信息庫(kù)包括常見(jiàn)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(hù)和權(quán)限信息。關(guān)節(jié)軸承代號(hào)由基本代號(hào)、補(bǔ)充代號(hào)及游隙組別代號(hào)三部分組成[2]?；敬?hào)就是我們?nèi)粘Ｋ追Q(chēng)的型號(hào)，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(hào)作為各類(lèi)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(guò)SQL Server后臺(tái)的Transact-SQL編寫(xiě)“存儲(chǔ)過(guò)程”，以對(duì)各數(shù)據(jù)表進(jìn)行歸類(lèi)并實(shí)現(xiàn)查詢(xún)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立“索引”以提升數(shù)據(jù)查詢(xún)速度，對(duì)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(xún)方式的界面設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的查詢(xún)功能模塊，共設(shè)計(jì)了九個(gè)查詢(xún)界面。其中主參數(shù)檢索模塊根據(jù)關(guān)節(jié)軸承分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了四個(gè)查詢(xún)界面，查詢(xún)界面上主要通過(guò)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(guò)Gridview（表顯示框）實(shí)現(xiàn)查詢(xún)結(jié)果的顯示和自定義排列功能，且可以通過(guò)點(diǎn)擊“樣圖與介紹”鏈接，查看該型號(hào)關(guān)節(jié)軸承的樣圖和簡(jiǎn)要介紹。

其他五個(gè)查詢(xún)界面分別是：

（1）依據(jù)基本代號(hào)查詢(xún)條件可以精確查詢(xún)和模糊查詢(xún)的基本代號(hào)檢索界面和國(guó)內(nèi)外基本代號(hào)對(duì)照查詢(xún)界面；

（2）提供“關(guān)節(jié)軸承類(lèi)型”、“是否自潤(rùn)滑”、“載荷方向與大小”、“軸承重量”四個(gè)查詢(xún)條件的使用工況檢索界面；

（3）顯示生產(chǎn)廠家信息的查詢(xún)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(guò)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(kāi)發(fā)的接口。一是通過(guò)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(hù)子程序接口，可以開(kāi)發(fā)新模型，控制計(jì)算過(guò)程和結(jié)果；三是圖形用戶(hù)接口工具包，可以創(chuàng)建新的圖形用戶(hù)界面和用戶(hù)交互；四是Abaqus腳本接口，通過(guò)內(nèi)核腳本可以實(shí)現(xiàn)前處理建模和后處理分析計(jì)算結(jié)果[3]。

本系統(tǒng)將采用第四種二次開(kāi)發(fā)途徑，運(yùn)用前三種接口針對(duì)Abaqus的二次開(kāi)發(fā)成果最終都需要通過(guò)Abaqus／CAE軟件操作界面來(lái)實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)后的功能，Abaqus的腳本接口是在Python語(yǔ)言的基礎(chǔ)上的定制開(kāi)發(fā)，可以不通過(guò)Abaqus／CAE 的圖形用戶(hù)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(guò)集成腳本語(yǔ)言Python向二次開(kāi)發(fā)者提供了很多函數(shù)庫(kù)。通過(guò)Python語(yǔ)言調(diào)用這些函數(shù)庫(kù)可以極大地增強(qiáng)Abaqus的交互式操作功能，繞過(guò)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(xiě)一個(gè)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(yǔ)句導(dǎo)入系統(tǒng)環(huán)境函數(shù)合集，再新建一個(gè)模型，對(duì)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(xiě)的Python文件的通用性，需要對(duì)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(chǎng)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(guò)程中加載力的大小、軸承擺動(dòng)速度、軸的長(zhǎng)度等有著相應(yīng)的差異，故對(duì)以上幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行變量化。

從用戶(hù)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(hù)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(hù)分為系統(tǒng)管理員和普通用戶(hù)，普通用戶(hù)除了使用查詢(xún)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(qǐng)；系統(tǒng)管理員具有管理普通用戶(hù)信息的權(quán)限，審核數(shù)據(jù)添加與更新的申請(qǐng)。

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(cè)試實(shí)例

登錄本系統(tǒng)，進(jìn)入查詢(xún)模塊，以推力關(guān)節(jié)軸承主參數(shù)查詢(xún)?yōu)槔邕x擇軸承內(nèi)徑并輸入140，選擇座圈寬度輸入54，點(diǎn)擊查詢(xún)按鈕后，查詢(xún)結(jié)果如圖7所示，查詢(xún)結(jié)果是以GX140S和GX140T 為代號(hào)的這兩種推力關(guān)節(jié)軸承。點(diǎn)擊GX140S型號(hào)數(shù)據(jù)中的“樣圖與介紹”，則會(huì)彈出包含S型推力關(guān)節(jié)軸承樣圖和簡(jiǎn)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(dòng)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(yǔ)

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(xún)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以快速且不通過(guò)有限元分析軟件的操作，讓設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)編寫(xiě)腳本文件進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)可進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分析的設(shè)計(jì)理念和用途，可推廣到其他機(jī)械領(lǐng)域。

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