ANSYS接触分析

1.滚动轴承静力学仿真分析

从第二章用赫兹理论求解滚动轴承内部接触应力，它有许多的局限性，即只能求解两个材料相同物体的接触，两接触物体之间没有摩擦（完全光滑），还有两接触面的尺寸相对于接触表面的半径很小等。可知赫兹接触理论不能给滚动轴承静态接触一个精确解，所以经典的赫兹接触理论根本无法求解一些非线性接触问题，但是有限元软件可以精确的处理非线性接触问题，所以本论文选用有限元软件ANSYS 以数值计算的方法去处理滚动轴承的非线性接触问题，求出滚动轴承内部接触应力和变形，并与第二章用赫兹法求解结果对比。

1.1有限元模型建立

1.1.1几何模型的建立

根据表3-1 滚动轴承6310的基本尺寸，首先在SolidWorks中建立三维立体模型，由于边棱和倒角对滚动轴承静力学分析影响很小，建模时忽略掉滚动轴承模型的倒角与边棱，为了符合有限元模拟的需要，建模时设置滚动轴承的径向和轴向游隙都为零。保持架在滚动轴承中的作用是使得各个滚动体均匀的分布在内外圈之间，而在静力学仿真中保持架对仿真结果影响不大，故建模时略掉。滚动轴承的各个部件都选为轴承钢GGr15材料，泊松比0.3，弹性模量为207GPa，密度7830Kg/ m3。

1.1.2网格划分

将三维模型导入ANSYS workbench环境中进行网格划分。网格划分的好坏直接影响有限元模型的好坏，影响电脑计算时间和最后仿真结果的精度。网格划分的一般步骤是单元类型的选择、材料类型选择、单元尺寸大小设置等，只有进行了正确的设置之后才可以进行网格划分。对模型进行网格划分有如下几种方法：自由网格划分法、映射网格划分法、扫描网格法和自适应网格法。本文采用三维实体SOLID单元对模型进行网格划分。网格划分越细密越能精确的求解轴承赫兹接触问题。从计算结果精确度和电脑计算时间长两者之间的矛盾出发，整体设置

约为网格的大小为接触椭圆短轴长的一半，具体设置为滚动体为0.5mm，内外圈为0.8mm。而滚动轴承是对称结构，用滚动轴承的四分之一代替整个滚动轴承进行有限元分析。内圈和外圈采用六面体主导网格方法划分网格，滚动体采用自由网格方法划分，网格划分完成后模型共有250742个单元和512954个节点。图（）为有限元分析模型。

1.1.3接触对的建立

滚动体与内外圈滚道之间使用面-面接触方式建立接触对，内外圈滚道设为目标面（凹面），滚动体设为接触面（凸面），基于实际条件，选择接触对种类为摩擦，摩擦系数设置为0.05，设置默认的接触刚度，接触公式采用罚函数，在四分之一模型中共建立4个接触对。建立的接触对如图3-3 所示

1.1.4边界条件和载荷的设置

边界条件的设置：根据该轴承的实际工作情况，对轴承外圈圆周面施加全约束，来模拟轴承座对外圈的约束；对内外圈侧面施加轴向约束，来模拟轴承在实际运行过程中不能发生轴向运动；对滚动体施加轴向和切向约束，只允许其在径向发生弹性变形，以防止滚动体在静力分析中产生刚体位移。

载荷的施加：对内圈内表面下半部分施加径向的轴承载荷，以模拟来自轴的径向力施加的载荷，载荷大小为2500N，如图$ 所示。

1.2仿真结果分析

图3-4 的（a）～（d）分别为滚动轴承整体在轴向截面外圈、内圈、滚动体和总的应力云图。

接触区域尺寸：

1.3结果分析

深沟球轴承滚动体与内外圈滚道的最大接触应力、接触椭圆长短半轴的有限元解与赫兹理论解的误差，如表（）所示。

由表（）可以看出：有限元解与赫兹理论解的一致性良好，但由于网格大小的限制和径向载荷加载在面上而非线上的关系，仿真结果偏小。

轴承的最大接触应力位于最底端滚动体与内外滚道的接触点处，从底端到两侧接触应力逐渐变小，这是因为最底端的滚动体位于轴承载荷作用线正下方，越靠两侧轴承载荷作用线与接触面法线的夹角越大。上半部分滚动体与滚道的接触应力为零，这是由于来自实心轴的径向载荷只作用到了内圈下半部分。每个滚动体与内外圈滚道的接触区域呈椭圆状分布，接触应力值从中心向外逐渐变小，与赫兹理论一致。

滚动体局部的接触应力很大，这是由于滚动体与滚道间接触负荷只作用在非常小的接触面上，即使接触负荷不是很大，最大接触应力值也是相当高的，接触应力只在微小的局部区域内存在，即便是接触应力超过材料的屈服极限，也只会在局部区域内发生微小的塑性变形，产生塑性变形后接触面积变大，接触应力会瞬间减小到材料的屈服强度以内，所以短期内并不会对结构产生破坏，但是仍然要对此予以足够的重视，因为滚动体和内圈周期性地进入载荷区，接触应力和变形也在周期不稳定变化，长期运行容易产生疲劳破坏出现点蚀。