基于ANSYS的深沟球轴承接触分析

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深沟球轴承结构简单，应用广泛，其接触应力对接触疲劳和磨损有重要的影响，在很大程度上决定着轴承的寿命∮触有限元分析可以了解轴承工作时各部分的接触信息，如应力、应变、穿透和滑移距离等，对于复杂轴承的优化设计具有重要的意义。

接触是-种复杂的非线性现象，它不仅涉及到接触状态的改变，还伴随着热、电等过程∮触问题 目前主要存在两大难点 。其- ，在求解问题之前，通常不知道具体的接触区域 。随着载荷、材料、边界条件和其他因素的变化，表面之间可能接触或者分开，这往往是难以预料的，甚至可能是突然变化的。其二是大多数接触问题需要考虑摩擦作用，摩擦效应可能是无序的，而且都是非线性的。如何快速、准确地模拟类似的接触问题是学者非常关心的热点u 。

ANSYS提供了接触分析的良好方案，能够考虑过程中的摩擦生热及电接触过程，有专门的接触向导，很方便建立接触对。内置的接触分析专家系统对于-般的接触分析不需要设置接触的相关参数，可以方便地建立接触分析。本文以6200深沟球轴承为例，讨论其接触情况，利用ANSYS的APDL参数化语言建立其三维参数化有限元模型，并对其非线性接触状况进行分析研究。

1 接触状态分析及应力理论计算球轴承工作中，滚动球体与圈体的接触情况复杂，当载荷为0时，其接触为点接触。而运转过程中，随着载荷的增大，接触区发生塑性变形，点接触变为面接触口 ，接触区域渐渐变成椭圆，并产生残余应力口 ∮触区域的位置、大孝形状、接触面压力及摩擦力分布等接触参数将随外载荷的变化而改变，是典型的边界非线性问题。根据赫兹理论H ，并对公式进行适当简化，深沟球轴承的接触应力和变形为 ：口：0.0236ma( )厶 P6：0.0236mb( ) /3厶 P[Q(∑ ]l/： 2.79×10-4堡 [Q。∑/1； m - 式中，a、b分别为接触椭圆的长、短半轴；、 6、 、 分别为赫兹接触系数；Pm 。b d。、 磺 糸 致 0为椭圆中心的接触压力；∑p为主曲率和； 为两接触体的弹性趋近量。Q为负荷，Q- ，Z COS 0c为径向载荷，z为滚动体个数； 为承载时的接触角。

对于6200深沟球轴承 (相关材料及尺寸参数见表 1和表2)，当承受5000N的径向载荷时，计收稿日期：2012-08-04基金项目：江西侍育厅科技项目(GJJ12287)；江西省高等学校重点学科建设项目资助作者简介：汤兆平 (1970-)，男，江苏常州人，教授，硕士生导师，研究方向为机电设备控制与故障诊断。

. 第35卷 第1期 2013-01(下) 99 I 匐 似算或查表，可得：∑p0.5572 F(p)-0.9635 。 4.675 mb0.370： 0.5345 6：1.73rtm d a1.960m b0.155mP0 4909.8MPa 2.62x10～表1 材料的各项指标弹性模量 密度 名称 材料 泊松比N/mm kg/m轴承内圈 GCrl5SiMn 2.16×10 7820 0.29轴承外圈 GCrl5SiMn 2.16×10 7820 0.29滚球 GCrl5SiMn 2.16×10 7820 0.29保持架 黄铜 1.0×10 8500 0.324表2 轴承参数参数 值 参数 值 参数 值轴承 30mm 轴承内径 10mm 轴承 9mm外径 宽度内圈沟曲 2.44 nlm 外圈沟曲 2.49 外圈率半 率半径 rnm 沟道 25.27mm直径 径内圈 内圈挡边 17.4 球组沟道 15.738mm 节圆 20.5mm 直径 直径 mm 直径球直 4.762 nlnl 外圈挡边 23.8 转速 209.44rad/s 径 直径m m 轴向 球数 8个 径向载荷 5kN l kN载荷2 轴承接触分析的基本步骤在涉及到两个边界的接触问题中，很 自然把- 个边界作为 目标面 ”，而把另-个边界作为 接触面”。 ANSYS支持刚体--柔体或柔体--柔体的面--面接触单元，这些单元应用目标面”和 接触面”来形成接触对。对于刚体--柔体接触，可选择凸面、网格较密的面、尺寸相对较小的面为 接触面”，反之则指定为目标面 。

3 轴承有限元模型的建立以ANSYS软件的APDL语言，对模型的数据使用参数定义，理论上可以通过修改参数改变模型的尺寸形状、材料特性、约束位置、施加载荷[1OO1 第35卷 第1期 2013～01(下)等。这种参数化建模的方式，可以实现设计自化，提高设计效率，并为可靠性及优化设计提侈条件。

深沟球轴承基本结构主要有内圈、外圈、溜动体和保持架等。因使用条件的不同，有的还群有止动槽、防尘罩、密封圈及顶丝等。由于轴的倒角、边棱、防尘罩及止动槽等对轴承内部应力分布和变形的影响较小，建模时可对这些构进行忽略简化〖虑到深沟球轴承模型结构科对简单，且径向载荷主要集中在内圈的内径圆相面下半圈的中部，本文采用整体建模的方式。

表 1和表2是6200深沟球轴承建模的相关材；l：；及尺寸参数。

图l为所建的深沟球轴承有限元模型。轴内、外圈、滚动体与保持架均选用8节点六面体SOLID45实体单元。采用自由网格，网格单元寸为1.5mm。整个模型共54224个节点，2586664单元。

图1 轴承的有限元模型因滚动体任何瞬时只有-半的球面与轴承j圈滚道接触，另-半球面则与轴承外圈滚道触，故建模应注意滚球的方向，使两个半球面多别对应接触内外圈滚道沟面。

4 接触的定义及接触单元的检查分别以轴承的外圈滚道沟面和内圈滚道沟作为目标面，相应的滚动体两半球面为接触面，建立两个接触对。确定内、外圈滚道与滚动体间为刚--柔接触，接触面单元类型选用含中点的8节点四边形单元CONTA174，目标面接触元类型选为无中节点的3节点单元TARGE170。

置各接触对的法向接触刚度因子FKN0.1(FKN过大易引起接触分析中的许多不收敛问题)，始靠近因子ICONT0.01，摩擦因数MU0.003。

接触单元网格划分后，接触面外法线方检查至关重要 。对于3D单 元，按节点顺序