基于混合編程的滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件開發(fā)

葉振環(huán)，王黎欽（.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義56300；.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱5000）

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基于混合編程的滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件開發(fā)

葉振環(huán)1，王黎欽2
（1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：針對(duì)滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析方法復(fù)雜、非線性求解困難、不利于工程技術(shù)人員使用的現(xiàn)實(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)編程軟件Visual Basic（簡稱VB）和MATLAB的特點(diǎn)，通過混合編程的方法開發(fā)了滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件，為方便使用者操作，對(duì)參數(shù)輸入增加了文本方式。該軟件可完成滾動(dòng)軸承接觸特性、承載特性和動(dòng)力學(xué)行為的分析，可為軸承失效分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：軟件開發(fā)；滾動(dòng)軸承；動(dòng)力學(xué)分析；混合編程

滾動(dòng)軸承作為航空航天、軌道交通、高端裝備的基礎(chǔ)零部件，其疲勞壽命和可靠性直接影響著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)乃至整機(jī)的服役性能和壽命，因此，滾動(dòng)軸承在性能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都受到了高度關(guān)注［1］。鑒于高速和高精密滾動(dòng)軸承在實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施和實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面投入較大而且需長時(shí)考核，故近年來滾動(dòng)軸承性能的數(shù)值計(jì)算預(yù)測已經(jīng)成為必不可少的分析手段［2-5］。隨著性能預(yù)測分析貼近實(shí)際工況要求的不斷提高，滾動(dòng)軸承的分析模型先后經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展過程：靜力學(xué)分析、擬靜力學(xué)分析、擬動(dòng)力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析［6］。雖然目前擬動(dòng)力學(xué)方法由于預(yù)測精度較高且計(jì)算較簡便，在實(shí)際高速軸承的分析中獲得廣泛應(yīng)用，但是隨著對(duì)軸承過渡工況的關(guān)注逐漸加大，動(dòng)力學(xué)分析方法正逐漸成為軸承性能分析和壽命預(yù)測的主要手段［7，8］。

動(dòng)力學(xué)分析方法由于涉及到滾動(dòng)軸承元件的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和受力參數(shù)，在計(jì)算求解過程中存在大量的非線性計(jì)算和微積分運(yùn)算，所以直接使用現(xiàn)成的動(dòng)力學(xué)分析方法需要使用者具備較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)。為了方便工程人員使用，需要將前臺(tái)和后臺(tái)隔離，使用者只需在前臺(tái)輸入?yún)?shù)，而復(fù)雜的求解計(jì)算則交給后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)算。

本文在動(dòng)力學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言VB、MATLAB混合編程的方法實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析軟件開發(fā)，為專業(yè)研究者和工程技術(shù)人員提供軸承動(dòng)力學(xué)分析支持。

1基本思想和原理

高速滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析可以根據(jù)滾動(dòng)軸承的動(dòng)力學(xué)分析理論采用高級(jí)編程語言MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)算需要輸入的參數(shù)包括軸承幾何參數(shù)、材料參數(shù)和工況參數(shù)，如果在輸入過程中沒有參數(shù)類型的說明和提示，非專業(yè)人士在使用過程中很難記住MATLAB中各參數(shù)代表的含義；另外，即使在有參數(shù)類型提示的情況下通過手工逐一輸入，工作也非常煩瑣，給工程技術(shù)人員的使用帶來困難。如果采用VB軟件編制用戶界面對(duì)參數(shù)輸入和結(jié)果輸出進(jìn)行處理，并直接在VB中調(diào)用MATLAB計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力學(xué)方程的求解，二者通過混合編程即可編制出滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析的通用軟件。

MATLAB作為商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，在矩陣運(yùn)算、函數(shù)計(jì)算、算法設(shè)計(jì)等方面均具有很強(qiáng)的能力，并且具備連接其他編程語言的特點(diǎn)。但是MATLAB在界面處理上人性化不足、用戶操作便捷性較差。VB是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的軟件，對(duì)于用戶具有界面友好、便捷易用的特點(diǎn)。但是VB對(duì)于復(fù)雜的計(jì)算顯得無能為力。

為了方便使用者操作又兼具良好的計(jì)算效率和精度，需要充分發(fā)揮這兩個(gè)軟件各自的優(yōu)點(diǎn)來完成相應(yīng)的工作，并通過VB調(diào)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，其中VB調(diào)用MATLAB的操作是將Matlab的m文件編譯成dll文件后利用動(dòng)態(tài)連接庫實(shí)現(xiàn)。

2混合編程的實(shí)現(xiàn)

在本軟件中，VB和MATLAB之間的數(shù)據(jù)傳遞將涉及到兩個(gè)方面：一是 VB將輸入?yún)?shù)傳遞給MATLAB作為動(dòng)力學(xué)計(jì)算的初始條件；二是MATLAB將重要的計(jì)算結(jié)果傳遞回VB界面進(jìn)行數(shù)值或圖像顯示。其中，VB向MATLAB傳遞參數(shù)可以通過數(shù)組打包的形式在VB調(diào)用dll文件的同時(shí)完成數(shù)值傳遞；而MATLAB向VB傳遞參數(shù)則需要分為兩種情況：若是傳遞數(shù)值，可以通過MATLAB程序中設(shè)置參數(shù)值返回實(shí)現(xiàn)；若是傳遞圖像，需要在MATLAB中繪制完成后先保存在固定的位置再由VB調(diào)用。

圖1給出了滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件的運(yùn)行流程，主要操作及軟件執(zhí)行順序如下：

（1）打開軟件，進(jìn)入?yún)?shù)輸入界面，采用界面手動(dòng)輸入方式或外部文件調(diào)用輸入方式完成軸承基本參數(shù)的設(shè)置；

（2）點(diǎn)擊軸承動(dòng)力學(xué)分析啟動(dòng)按鈕，VB將界面上的輸入?yún)?shù)傳遞給后臺(tái)的Matlab程序，并啟動(dòng)擬動(dòng)力學(xué)計(jì)算；

（3）擬動(dòng)力學(xué)計(jì)算完成后自動(dòng)將結(jié)果交付給軸承動(dòng)力學(xué)分析程序，與VB傳遞過來的輸入?yún)?shù)一起作為初值啟動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析；

（4）計(jì)算時(shí)間周期結(jié)束，MATLAB自動(dòng)將動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果寫入計(jì)算機(jī)的指定位置，VB通過定時(shí)掃描不斷訪問計(jì)算機(jī)指定位置的文件并刷新界面顯示；

（5）MATLAB將上一次計(jì)算結(jié)果作為初值返回第（4）步進(jìn)行下一時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

其中，第（3）、（4）步中涉及的軸承擬動(dòng)力學(xué)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型及求解方法參見文獻(xiàn)［4］和［9］。

3滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件

3.1參數(shù)輸入設(shè)計(jì)

軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件需要輸入的參數(shù)包括軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)、裝配參數(shù)、材料參數(shù)、工況參數(shù)和潤滑參數(shù)，在輸入界面中可以通過文本框旁的標(biāo)題提示手工填寫，如圖2所示。

由于界面上需要輸入的參數(shù)較多，若進(jìn)行多次計(jì)算每次都要填寫參數(shù)值，工作量大且容易出錯(cuò)，所以在手動(dòng)輸入的同時(shí)設(shè)計(jì)了文本輸入方式。文本輸入方式需要在運(yùn)行軟件前按照規(guī)定好的格式將所有輸入?yún)?shù)寫入TXT文檔，再通過VB調(diào)用文件的形式完成界面文本框的自動(dòng)填寫，輸入文本模版如圖3所示，該種輸入方式非常適合于針對(duì)同一軸承進(jìn)行多次性能分析和針對(duì)同一工況進(jìn)行多次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況。

圖2軟件參數(shù)輸入界面

開發(fā)完成后的軟件較好地對(duì)輸入輸出接口進(jìn)行了處理，不需要用戶對(duì)后臺(tái)的工作進(jìn)行了解，方便工程技術(shù)人員使用。本軟件可以完成軸承擬動(dòng)力學(xué)中穩(wěn)態(tài)接觸性能、動(dòng)力學(xué)中瞬態(tài)接觸性能及運(yùn)動(dòng)學(xué)行為的計(jì)算分析，并可以為進(jìn)一步開展軸承壽命預(yù)測、失效分析、故障清零、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和開發(fā)平臺(tái)。

4結(jié)論

本文基于VB和MATLAB混合編程的方法，編制了滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析軟件，用VB開發(fā)設(shè)計(jì)了軟件的用戶界面，完成前臺(tái)數(shù)據(jù)處理；采用MATLAB編制了后臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析模型的求解程序；通過VB動(dòng)態(tài)連接庫調(diào)用編譯成dll文件的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)前后臺(tái)的數(shù)據(jù)傳遞和連接。開發(fā)完成的軟件經(jīng)應(yīng)用表明，采用混合編程的方法能夠充分發(fā)揮 VB和MATLAB軟件的優(yōu)勢，兼顧了用戶的便捷性和計(jì)算的精度和效率，為專業(yè)研究者和工程技術(shù)人員提供了便利易用的滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)分析工具。

圖3軟件參數(shù)輸入文本

3.2結(jié)果輸出設(shè)計(jì)

軟件后臺(tái)MATLAB程序計(jì)算結(jié)果在MATLAB程序中即被處理為數(shù)值和曲線兩種模式，并分別被寫入TXT文件和存為JPG文件送至計(jì)算機(jī)指定位置保存。VB程序通過定時(shí)掃描的方式讀取TXT文件和JPG文件以更新界面顯示內(nèi)容，達(dá)到人機(jī)交互的目的。VB結(jié)果輸出界面主要反映保持架和滾動(dòng)體的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)速以及滾動(dòng)體和保持架的受力等重要信息，結(jié)果顯示界面如圖4所示，其余信息則存在TXT文本中供專業(yè)研究人員選用。

圖4軟件結(jié)果顯示界面

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（責(zé)任編輯：朱彬）

Development of the Dynamic Analysis Software of Rolling Bearings Based on Mixed Programming Method

YE Zhen-huan1，WANG Li-qin2
（1.School of Engineering，Zunyi Normal College，Zunyi 563000，China；2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

Abstract:Dynamic analysis method is not suitable to directly use for engineers and technicians，because the analysis is complex and the nonlinear solution is difficult.Considering the characteristics of software Visual Basic and MATLAB，a dynamic analysis software was developed based on the mixed programming method.For the sake of users，the text input mode was added in this software.This software could be applied to the analysis of contact properties，loading properties and dynamic behaviors of rolling bearings，which is able to afford reference for failure analysis，geometry design and fatigue life prediction of rolling bearings.

Key Words:software development；rolling Bearings；dynamic analysis；mixed programming

中圖分類號(hào)：TH133.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3583（2016）-0109-03

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目（黔科合J字［2014］2172）；貴州省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（黔教合KY字［2014］294）；遵義師范學(xué)院博士科研基金資助項(xiàng)目（2013BJ06）

作者簡介：葉振環(huán)，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院副教授，博士。主要研究方向：滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。