基于ANSYS的圆柱滚子轴承有限元应力分析

基于ANSYS的圆柱滚子轴承有限元应力分析

刘　宁,张　钢,高　刚,赵志峰

(上海大学　机电工程与自动化学院,上海　200072)

摘要:利用UG软件与ANSYS软件之间良好的数据接口,将在UG中完成建模并装配好的轧机滚动轴承导入ANSYS中,对其进行接触应力分析,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,并与传统的理论分析所得结论进行比较,证明有限元应力分析的正确性。

关键词:圆柱滚子轴承;有限元分析;应力

中图分类号:T H133.33;O242.21 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2006)12-0008-03

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。

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,对生

产实际有一定的指导作用。

1　创建几何模型

采用Unigraphics创建三维几何模型[1-2],单位为mm,所选几何模型为内外圈都是分离式的四列圆柱滚子轴承,内径为300mm,内圈滚道直径332mm,外径420mm,外圈滚道直径392mm,每列30个滚子,滚子直径30mm,长度57mm。

2　有限元分析过程[3-4〗

2.1　轴与内圈过盈配合时应力的有限元分析

2.1.1　有限元模型的建立

为了考虑轴与内圈过盈配合产生的应力,需导入内圈与轴配合的模型。实际中,该轴承内圈与轴配合,过盈量为0.08～0.13mm,本文主要对过盈量为0.13mm的配合进行了分析。图1为其导入模型。由于是轴对称模型,为了减小计算量,可取模型四分之一进行分析。选择计算单元Solid 8node185。

轴承材料为G20Cr2N i4,其弹性模量为206 GPa,泊松比μ=0.3。

收稿日期:2006-07-26;修回日期:2006-09-18

图1　导入模型

设置轴的圆弧线和内圈内表面圆弧线上的单元数量为40,侧棱的单元数为10,内圈径向单元数为5,采用映射方式划分网格,离散后的模型如图2所示,共有14000个单元,15173个节点

。

图2　网格划分后的有限元模型

2.1.2　约束条件、施加载荷与求解

以内圈内表面为目标面,轴的表面为接触面创建接触对,采用静力分析模型,如图3所示。

在分割形成的面上施加对称约束,并在轴和

I SS N1000-3762 C N41-1148/TH

轴承

Bearing

2006年12期

2006,No.12

8-10 C

A

M

E

O

楷

模

C

A

E

案

例

库

w

w

w

.

c

a

m

e

o

.

o

r

g

.

c

n

图3　接触对

内圈的后表面施加z 向的固定约束。设定载荷步

结束时间为100,关闭自动时间步长控制,指定载荷子步数为1。进行非线性分析,计算结果收敛。求解得到图4～图8所示的应力分布图,图

4为直角坐标系的Von M ises 应力分布图,图5和图6为将计算结果转化到柱坐标系中得到径向(柱坐标系的x 方向)应力和周向(柱坐标系的y 方向)应力的分布图。

由图可以看出轴承内圈与轴过盈配合时,Von M ises 应力等值面是一系列以轴承轴线为中心线

的圆周面,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。这与文献[5]

图4　Von M ises 等效应力分布图

图5　径向(柱坐标系的x 方向)应力分布图

图6　周向(柱坐标系的y 方向)应力分布图

所得理论结果完全相符,证明了有限元分析的正确性。最大应力的具体数据如表1所示。

表1　最大应力理论计算值与ANSYS 分析值比较

过盈量Δd 12

/mm

理论值/MPa

ANSYS 分析值/MPa

周向应力σ1max

径向应力σr max

周向应力σ1max

径向应力σr max

等效应力

Von M ises 0.0849.89375.039649.6475.03452.2070.0956.13045.669655.8535.66358.7320.1062.36726.299562.0586.29265.2560.1168.60396.929568.2646.92171.7810.1274.84067.559474.4697.55078.3060.13

81.0773

8.1894

80.674

8.179

84.830

表中两种计算结果非常接近,过盈量在0.08

～0.13mm 时,周向拉应力最大为80.674MPa ,远远小于该材料的抗拉强度极限1175MPa ,所以内圈是很安全的,不会发生断裂。2.2　滚子与内外圈接触应力的有限元分析2.2.1　有限元模型的建立

本文主要是对内外圈和滚子的接触应力进行分析,鉴于空间分析计算量太大,将空间问题简化为平面问题进行分析,采用平面应变的分析类型,

轴承外载荷为7×105

N ,图7为其平面模型。

选择计算单元Solid 4node 42。

图7　平面模型

・

9・刘　宁等:基于ANSYS 的圆柱滚子轴承有限元应力分析C

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