利用ANSYS軟件分析滾動軸承接觸問題

韋春翔 李偉偉 黃志平 葉 冬

(上海三一精機有限公司，上海 201200)

工程實際中廣泛存在的接觸問題是一種高度非線性問題，兩接觸體間的接觸應力隨著外載荷的變化而變化，接觸體的變形和接觸邊界的摩擦作用使得部分邊界條件隨載荷的施加過程不同而變化。軸承作為現代機械傳動部分中十分重要的一環，它依靠內部各構件間的滾動接觸來支撐轉動零件實現運動和力的傳遞，其工況的好壞直接影響整機的運行。滾動軸承的接觸問題體現在兩方面:(1)滾動體與內外圈間的接觸應力大小;(2)軸承在載荷下的變形量。但是接觸問題的求解一般是比較困難的，目前常用的是數值解法。而數值解法又分為有限元法、有限差分法、邊界單元法等。其中有限元法是在工程上應用最為廣泛的方法，它可以用來分析較復雜的接觸問題。本文以機械中常見的滾珠軸承為分析對象，利用ANSYS軟件對滾珠軸承進行分析，并將得到結果與實際變形結果對比，得出利用ANSYS分析軸承接觸問題的可行方法。

1 軸承的三維接觸有限元分析

1.1 軸承樣例

以常見的6300為例:材料為GCr15，外徑D=35 mm，內徑d=10 mm，寬度B=11 mm，鋼球直徑Dw=6.35 mm，內圈溝道曲率半徑Ri=3.27 mm，內圈溝道溝底直徑Di=17.15 mm，外圈溝道曲率半徑Re=3.334 mm，外圈溝道溝底直徑De=29.85 mm，接觸角α=0，鋼球數量Z=7。

材料參數:彈性模量E=207 000 MPa，泊松比μ=0.3。徑向載荷Fr=3 472 N。最大承載鋼球徑向載荷Q=2 480 N。

1.2 軸承的三維實體建模

角接觸球軸承機構需考慮內外圈不同的曲率半徑，形狀比較復雜，直接利用ANSYS內部的建模功能不能精確地建立軸承的幾何模型，勢必造成幾何形狀上不必要的誤差。通常在CAD軟件中建立實體模型，利用CAD軟件與ANSYS的接口導入ANSYS，所以先根據該型號軸承的尺寸，在Pro/E中建立幾何模型(在此忽略保持架)。接著啟動ANSYS，選擇菜單File＞Import＞Pro/E，打開ANSYS的Pro/E的接口對話框，選擇剛保存的軸承裝配體文件，如圖1。

1.3 單元選擇及網格劃分

ANSYS中定義兩物體接觸是通過設置兩接觸體的接觸面來實現的，為了減少后續有限元模型的單元數，以節省出更多的計算機資源來精確地求解接觸問題，對軸承滾道面與滾珠面接觸的范圍與面積參考經典理論計算的結果，只建立1/8的模型，采用8節點離散三維實體單元Solid45，進行網格劃分(Smart4級精度)。

1.4 軸承接觸問題的描述

接觸問題一般分為兩種基本類型:剛體—柔體的接觸和半柔體—柔體的接觸。ANSYS10.0支持三種接觸方式即:點—點、點—面和面—面，每種接觸方式使用特定的接觸單元。軸承問題明顯屬于面面接觸，模型中的接觸單元選用Targe170即鋼球面，Contact174即圈體面。如圖3所示接觸對。

1.5 邊界條件及加載

由于分析模型只選取1/8的圈體分析，因此剖面處應加對此約束;軸承通常安裝在剛性很大的軸和軸承座上，因此約束軸承外圈的全部自由度;徑向力在軸承的實際狀態中通過軸傳到內圈上，以集中力的形式施加在內部表面的軸向線的節點上。

1.6 有限元分析結果

(1)顯示結果

通過ANSYS后處理分析，得到最大載荷作用下鋼球同內外圈的接觸結果。圖4、圖5所示的分別是鋼球同內外圈的等效應力和模型的總變形。模型的接觸應力如圖6所示。

(2)結果分析

從上面ANSYS進行有限元分析所得的結果可以看出，應力最大的地方發生在鋼球與內圈接觸處，這與理論計算中預期的初始接觸點一致。從圖4可以很清楚地看出，兩個相同材料接觸體內部的接觸應力是不同的，外圈最大接觸應力在與鋼球接觸的位置，最大應力為3 350.8 MPa。而內圈最大應力發生在內圈滾道邊緣，最大應力P=3 882.6 MPa。

從圖5得知，內圈的接觸變形為長軸a=1.854 mm，短軸b=0.158 mm;外圈的接觸變形為a=1.452 mm，b=0.254 mm。

2 滾動軸承實際工況

為了驗證 ANSYS分析結果的準確性，本文對6300軸承在載荷下的真實工況進行了監測。采用Labview8.2編寫信號采集軟件，在軸承受力部分貼應變片，采集其受力變形的電信號。硬件部分采用了Usb2080的14位信號采集卡、信號放大器、巴特沃斯濾波器等等。其程序框圖和顯示框圖如圖7和圖8。

表1 模擬結果精度分析

軸承在真實工況下的變形結果與ANSYS模擬結果對比見表1。

3 結語

(1)比較有限元分析結果與實際工況，軸承內圈的最大應力與實際結果誤差為2.09%，外圈誤差為2.50%，表明該模型有限元模擬的準確性。

(2)用有限元法對軸承進行數值模擬，得出的接觸應力都比等效應力大，表明軸承的失效主要是由接觸應力過大造成的，這與實際工程中滾動軸承失效情況一致。

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