ANSYS-球轴承-接触力学

一、前言

  本案例使用ANSYS建立轴与轴承的过盈装配模型，对轴与轴承的过盈装配接触问题进行有限元分析，得出内圈与轴过盈配合时应力的分布情况和内圈与滚子之间接触应力的分布情况,以校验轴承设计参数是否合理，并得到合适的装配力。滚动轴承是一种通用性很强、标准化的机械基础零件,它是影响旋转机械动力学特性的重要因素。由于滚动轴承使用维护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高，广泛应用于各种场合。滚动轴承通常由内圈、外圈、滚动体组成。内圈紧套在轴颈上并与轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。在内圈的外周和外圈的内周上均制有滚道。当内外圈相对转动时，滚动体即在内外圈的滚道上滚动，它们由保持架隔开，避免相互摩擦。滚动轴承是靠滚动体的转动来支撑转动轴的，因而接触部位是一个点，滚动体越多，接触点就越多；滚动轴承是各类机械传动系统中最重要的部件之一,也是较易损坏的部件。实践表明,大量机械设备中传动系统的失效在很大比例上是由于滚动轴承受力变化引起的；在滚动轴承的设计与应用分析中,经常会遇到轴承的承载能力、预期寿命、变形与刚度等问题,这些问题都与轴承的受力和应力分布状态密切相关。研究表明,轴承的寿命约与应力的7~9次方成反比，,因此对滚动轴承的内外圈和滚动体进行应力分析具有十分重要的意义。本文采用ANSYS有限元分析软件建立滚动轴承的有限元模型并加载求解,进行应力场分析,得出应力场分布。滚动轴承是标准机械零件,同一系列的轴承结构形式完全一样,其主要参数固定,只是内部设计参数不同,因此采用参数化设计即可实现同一系列轴承的建模。

  基于轴承力学分析的理论和原则，简单介绍了模型与单体接触的hertz理论，并以滚动轴承为例，详细分析了轴承的接触应力、变形、载荷分布情况。一步步建立了有限元模型，采用接触问题的拉格朗日乘子法，得到了比较直观的接触变形以及应力分析图。

 二、几何模型的建立

  建立如图所示的模型。滚动轴承由轴承内圈、外圈和滚珠组成，以样本轴承为例进行应力分布分析，内径为15mm,，内圈滚道直径18.5mm，外经为33.3mm，外圈滚道直径29.8mm，滚珠直径6.6mm，轴承宽度16mm与轴过盈装配，轴直径15,5mm，长度36mm。根据接触力学理论并考虑轴承的结构受载特点可知，轴承为轴对称模型，因此建模时只取该滚子的1/6有限元模型即可.，取计算单元solid brick 8node185,弹性模量为20.6e5，泊松比为0.3，摩擦系数为0.3。

 图1 有限元几何模型的建立

三、网格划分

  对于轴承分析问题，采用Structural Solid 中的Brick 8node 185 单元划分网格。钢珠网格划分采用映射划分原则，其余部分采用扫描划分，划分为网格的模型如下图。

图2 划分网格后的模型

   由于生成的网格中，轴承滚珠和内外圈之间的网格是连续的，也就是说两个部件之间是刚性地连接在一起的，与实际不符，所以需用耦合来定义相互之间的关系。耦合后的网格模型如下：

图3 创建耦合后的模型

 四、模型接触设置和边界条件

   由于轴承内圈和轴面接触，以平面为接触面，选取相应的接触单元，利用接触向导建立surface-to-surface接触。接触模型如图4所示：

图4 对模型创建接触

五、施加约束

  根据滚动轴承的结构和在总体坐标下对模型边界约束。轴承外圈外表面完全固定，对切割部分的几个面上施加对称位移约束，由于轴承和轴接触，所以在柱坐标下施加轴Y方向的位移约束。

图5 对模型加入Y向约束

六、计算结果及分析

   对所建立的模型进行非线性分析,计算结果收敛。求解得到轴承过盈装配时应力分布图,图3-6为过盈装配过程中结构变形图、图3-7为柱坐标系下Y方向应力等值线图、图3-8为为直角坐标系的VonMises应力分布图,图3-9为接触应力等值线图 。

（1） 轴承结构情况图

图6 结构变形图

（2）应力情况分析

 图7  Y方向应力等值线图

 

图8 等效应力分布图

 

 图9 接触应力等值线图

七、结果分析

   由图可以看出轴承内圈与轴过盈配合时,VonMises应力等值面是一系列以轴承轴线为中心线的圆周面,轴承内外圈与滚珠接触处应力较大，其余应力沿半径向外方向依次减小,内圈内表面应力最大,外表面应力最小。

   作为各种机械运动的支承，轴承的工作环境可能是超高温、超低温、强腐蚀（酸、碱和高温苛性纳等）以及超高真空,也可能是强冲击、强磨料磨损、无磁和超高速等等。苛刻环境要求可能是单项,也可能是多种复合恶劣条件的综合，不论是普通轴承还是特种专用轴承,主机对其寿命、性能和可靠性都提出很高的要求。轴承装配过程中所产生的预应力及所受应力的分布情况对轴承的寿命和可靠性有很大影响。