滚动轴承ANSYS分析陈强

接触力学实训
基于ANSYS深沟球轴承有限元分析设计
深沟球轴承实物图
如图所示，以6300为例进行分析：材料选择GCr15制造，该型号的几何参数为：外径D 为ø60,内径d为ø10，宽度B为11，钢球直径Dw为ø6.4，接触角a为零，钢球的数量z 为7个，材料参数弹性模量E=30700MPa,泊松比u=0.3。

接触面的应力为3472N.观察深沟球轴承接触面的应力。

1.建立模型
（1）定义文件名：utility Menu==File==zhoucheng,弹出如图1-3所示的choucheng 对话框，在Enter new jobname 文本框中输入Bearing ，并将New log and error files 复选框选为yes ，点击OK按键。

图1-1 ANSYS开始界面
图1-2 命名命令图1-3 命名对话框
（2）：定义单元类型：Main Menu==Preprocessor==Element Type==Add/Edit/Delete,弹出Element Types 对话框，如图1-4展现的，点击Add 按钮，出现1-5所示的Library of Element Types 对话框，点击选择Structural Solid 和Brick 8node 185 ,点击OK按键，然后点击
Element Types 对话框出现的close按键，退出。

图1-4 Element Types 对话框
图1-5 Library of Element Types 对话框
（3）：定义材料性质：Main Menu==Preprocessoe==Material Props==Material Models,出现如图1-7所示的 Define Material Model Behavior 对话框，在 Material Models Available 出现的选项中依次点击Structural==Linear==Elastic==Isotropic ,出现如图1-8所示 Linear Isotropic Propertities for Material 对话框，在EX 框中输入3E006，在PRXY 框中输入0.3，点击OK 按键。

然后退出对话框。

图1-6 定义材料命令图1-7 Define Material Model Behavior 对话框
（4）：使偏移工作平面到指定位置：从应用菜单中选择Utility==WorkPlane==Offset WP to==XYZ Locations +。

出现设置点对话框，在ANSYS内输入0,0，-5.5，点击OK按键，如
图1-10出现的。

图1-9 给定位置的命令
图1-10 偏移工作平面图1-11Hollow Cylinder ,命令
（5）：外环：Main Menu==Preprocessoe==Modeling==Create==V olumes==Cylinder==Hollow Cylinder,出现如图1-12所示的Hollow Cylinder 对话框，在WP X 后面输入0，WPY框中输入0，RAD-1框中输入17.5，RAD-2 框中输入13.8，在Depth框中输入11，点击Apply 按
键。

图1-12 Hollow Cylinder 对话框图1-13 内外环模型
（6）：内环：在出现的Hollow Cylinder对话框中，WPX后面输入0，WPY同样输入0，RAD-1框中输入9.7，RAD-2框中输入5，在Depth 框中输入11，点击OK按键，绘制出如图1-13的图形。

（7）：恢复原始位置工作平面：在应用菜单中点击Utility Menu==WorkPlane==Offset WP to==Global Origin，恢复原始工作平面完成。

图1-14 恢复工作平面命令
（8）：绘制圆环：Main Menu==Preprocessoe==Modeling==Create==V olumes==Torus，出现如图1-16所示的Create Torus by Dimensions 对话框，在RAD1框中输入3.2，在RAD2框中输入0，RADMAJ框中输入11.75，点击OK按键，确定。

图1-15 圆环命令图1-16 Create Torus by Dimensions 对话框
（9）：在内外环中减去圆环从而形成滚珠轨道。

在主菜单中选择Main Menu==Preprocessoe==Modeling==Operate==Booleans==Subtract==Volumes。

在图形中选择拾取外环和内环，作为用布尔来减的母体，点击Apply按键。

在图形窗口中选择拾取绘制的内环作为减去的对象，点击OK按键，得到如图1-19所示的结果。

图1-17 Volumes命令图1-18 拾取框
图1-19 形成滚柱轨道
（10）：绘制滚珠：Main Menu==Preprocessoe==Modeling==Create==V olumes==Sphere==Solid Sphere，出现如图1-21所示的Solid Sphere对话框，在WP X框中输入0，WP Y框中输入
-11.75，Radius框中输入3.2，点击OK按键。

出现如图1-22所示的结果。

图1-20 Solid Sphere命令图1-21 Solid Sphere对话框
（11）：把总体柱坐标系变为被激活的坐标系。

在实用菜单中选择Utility
Menu==WorkPlane==Change Active CS to==Global Cylindrical。

图1-23 Global Cylindrical命令
（12）：沿周向方向复制滚珠。

在主菜单中选择Main Menu==Preprocessoe==Modeling==Copy==V olumes。

选择刚才绘制的滚珠，如图1-24所示。

ANSYS会提示复制的数量和坐标的偏移度数，在Number of copies 框中输入7，在Y-offset in active CS框中输入51.42857，点击OK按键，如图1-25所示。

图1-24 复制体
图1-25 输入复制的数量和坐标
（13）.使用体编号显示：Utility Memu==PlotCtrls==Numbering，出现Plot Numbering Controls 对话框，在COLU V olume numbers后面点击显示为ON，如图1-27所示，点击OK按键。

图1-26 复制完成的图形
图1-27 Plot Numbering Controls对话框
（14）：再次显示：Utility Menu==Plot==Replot，显示的结果如图1-28所示。

图1-28 深沟球轴承显示
（15）保存结果：点击工具框中的SA VE-DB按键，建立模型结束。

2.对轴承的网格划分。

（1）.在主菜单中选择Main Menu：Preprocessor==Meshing==MeshTool的命令，打开MeshTool工具，出现图示2-1。

图2-1 网络工具图2-2 进行体选择
（2）.选取Smart Size复选框，然后向左拉动到三的滑块，然后选择Mesh域中出现的V olumes，点击Mesh，选取面选择对话框，选定要划分数的体。

点击Pick All 按键，出现如图2-2所示。

图2-3 对体划分的结果
（3）.对网格的优化：Utility Menu==PlotCtrls==Style==Size and Shape，出现如图2-5所示的Size and Shape对话框，在【EFACET】Facets/element edge框中列表下拉找到并选择 2 facets/edge，点击OK按键。

图2-4 网格优化命令
图2-5 Size and Shape对话框
（4）.保存结果：点击ANSYS Toolbar 中的SA VE-DB按键保存。

3.对外环和滚珠接触对的定义。

（1）.对目标面的创建：Main Menu：Preprocessor==Modeling==Create==Contact Pair，出现如图3-2所示的Contact Manager的对话框，点击Contact Wizard按键（在对话框左上角）。

出现如图3-3所示的Contact Wizard对话框，选取默认选项，点击Pick Target按键，出现一
个选取框，在绘制的图形上点击拾取外环的轨道槽，出现图3-4，点击OK按键。

图3-1 Contact Pair命令图3-2 Contact Wizard对话框
图3-3 选择目标面的对话框
图3-4 选择目标面的显示
（2）.对接触面的创建：ANSYS会再次弹出Contact Wizard 对话框，点击Next按键，弹出如图3-5所示的Contact Wizard对话框，在Contact Element Type框中的选项中选择Surface-to-Surface，点击Pick Contact按键，出现一个选取框，在绘制的图形上选取滚珠与
外环的接触面，点击OK按键，会再次出现Contact Wizard 按键，点击Next按键。

图3-5 选择接触面的对话框
（3）.对接触面的设置：会再次弹出Contact Wizard 对话框，如图3-7所示，在Coefficient of Friction框中输入0.2，点击Optional settings按键，出现Contact Properties对话框，在Normal Penalty Stiffness框中输入0.1。

点击Friction按键，选择Stiffness matrix框中列表的Unsymmetric，如图3-6所示。

点击OK按键。

图3-6 Friction 标签
图3-7 定义接触面性质对话框
（4）.接触面的计算生成：再回到Contact Wizard对话框，点击Create按键，出现Contact Wizard
对话框，如图3-9所示，点击Finish按键，出现结果如图3-8所示。

然后关掉对话框。

图3-8 接触面显示
图3-9 创建完成接触面提示框
4.对内环和滚珠接触对的定义。

（1）.对目标面的创建：在Contact Manager 对话框中点击Contact Wizard按键。

出现Contact Wizard对话框，选择默认选项，点击Pick Target按键，出现一个拾取框，选择拾取图形上的内环轨道槽，如图4-1所示，点击OK按键。

图4-1 选择目标面的显示
（2）.对接触面的创建：会再次弹出Contact Wizard 对话框，点击Next按键，出现Contact Wizard对话框，在Contact Element Type框中选择Surface-to-Surface，点击Pick Contact按键，出现一个拾取框，在图形上选择拾取滚珠和内环的接触面，如图4-2所示，点击OK按键，会再次出现Contact Wizard按键，点击Next按键。

图4-2 选择接触面的显示
（3）.对接触面的设置：再次出现Contact Wizard 对话框，如图4-3所示，在Coefficient of Friction框中输入0.2，点击Optional settings按键，在Normal Penalty Stiffness框中输入0.1.点击Friction按键，学者Stiffness matrix选项中的Unsymmetric。

点击OK按键。

图4-3 Friction 标签
（4）.接触面的计算生成：再次回到Contact Wizard对话框，点击Create按键，出现Contact Wizard对话框，点击Finish按键，出现如图4-4的结果。

图4-4 接触面显示
图4-5 创建完成接触面提示框
5.对轴承施加载荷和求解。

（1）对面编号显示的编辑：Utility Menu==PlotCtrls==Numbering，出现Plot Numbering Controls对话框，选择AREA Area numbers复选框中的ON，如图5-1所示，点击OK按键。

图5-1Plot Numbering Controls对话框
（2）.对施加面的约束：Utility Menu==Solution==Define Loads==Apply==Structural==Displacement==On Areas，出现一个拾取框，在图形上拾取外环的侧面和外表面，如图5-3所示，点击OK按键，会弹出Apply U，ROT on Areas对话框，点击选择ALL DOF选项，然后点击OK按键。

图5-2 On Areas对话框
图5-3 选择压力面
（3）.对图形的施加载荷：Utility Menu==Solution==Define Loads==Apply==Structural==Pressure==On Elements，出现Apply PRES on elems拾取菜单。

拾取选择最内环的部分，如图5-3所示。

然后点击OK按键，出现Apply PRES on elems对
话框，如图5-4所示在V ALUE Load PRES value框中输入3472，点击OK按键并选择其余默认设置。

图5-3 选择载荷面
图5-4 施加面载荷
（4）对求解选项的设定：Main Menu==Solution==Analysis Type==Sol’n Controls，出现Solution Controls对话框，在Analysis Options框中选择Large Displacement Static，在Time at end of loadstep框中输入100，在Automatic time setpping框中选择Off，在Number of substeps 框中输入1，点击OK按键。

（5）.对图形的求解：Main Menu==Solution==Solve==Current LS，出现/STATUS Command 状态窗口和Solve Current Load Step对话框，仔细阅读状态窗口的信息然后选择关闭，点击Solve Current Load Step（求解当前载荷步）对话框中的OK按键开始求解，如图5-5所示。

求解完会出现Solution is done 提示框，点击Close按键，计算结果如图5-6所示。

图5-5 分析状态窗口和对话框
6.深沟球轴承应力的各种结果分析图。

（1）Y向位移图。

在Main Menu中依次选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot →Nodal Solu，如图6-1所示。

在依次选择Nodal Solution→DOF Solution→Y-Component of displacement，如图6-2所示。

单击OK，出现图6-3。

图6-1 Nodal Solu命令
图6-2 等值线显示节点解数据对话框
图6-3 Y向变形图
（2）应力图：在Main Menu中依次选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu，打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图6-4所示，在Item to be contoured 域中选择Total Mechanical Strain选择项。

点击OK按键，ANSYS窗
口出现von Mises应变分布图，如图6-5所示。

图6-4 等值线显示节点解数据对话框
图6-5 von Mises应变分布图
（3）.应力密度图。

在Main Menu中依次选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot →Nodal Solu，如图6-1所示。

在依次选择Nodal Solution→Stress→Stress intensity，如图6-6
所示。

点击OK按键，出现如图6-7所示的结果图。

图6-6 选择应力对话框
图6-7 应力密度图
（4）.总应变强度图。

在Main Menu中依次选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot →Nodal Solu，如图6-1所示。

在依次选择Nodal Solution→Total Strain→Total strain intensity。

，
如图6-8所示，点击OK按键，出现如图6-9所示的结果图。

图6-8 选择总应变的对话框
图6-9 总应变强度图
（5）.模态形状的动画显示：在应用菜单中依次选择，PlotCtrls==Animate==Mode Shape，如图6-10所示。

在出现的对话框中选择DOF solution，选择Translation UY，点击OK按键，
如图6-11所示，接着会出现6-12的动画显示。

图6-10 Mode Shape 命令
图6-11 设置动画显示图
图6-12 动画显示。