基于Simulation的滚动轴承有限元静态分析

前言

    滚动轴承是广泛应用的重要机械基础件，从上世纪初，随着机械制造业的发展，滚动轴承的设计和制造开始集中由专业化工厂进行，形成一项重要的基础工业。大量生产的结果，导致滚动轴承精度更高，价格低廉。目前，轴承应用已经扩大到原子能、计算机、航天、机器人等领域，因此如何使滚动轴承能够达到性能好、寿命长、可靠性高，是轴承设计者和广大用户共同关心的重要问题。

    根据目前滚动轴承的相关理论，轴承滚子在承受一定载荷下的内部应力分布如图1所示，而接触压力按照根据赫兹接触理论，滚子和滚道保持椭圆形的接触应力分布情况，如图2所示。

图1 滚子内部切应力分布

图2 赫兹接触

    本文围绕滚动轴承载荷的静强度问题，通过有限元分析模拟滚动轴承整体应力分布情况以及接触压力分布，为疲劳预测提供相应的分析基础。

模型假设

    本次研究主要通过有限元分析考察轴承应力分布和接触压力问题，因此对分析模型进行以下假设：

    1.轴承的径向游隙和轴向游隙假设为0；

    2.滚珠和保持架之间的间隙假设为0；

    3.不考虑内外圈的过盈配合；

    同时考虑到模型为二分之一对称模型，因此最终三维模型如图3所示：

图3 轴承二分之一模型

材料参数

    按照提供的材料，轴承主体材料均为GCr15，保持架材料为08F，材料参数根据实验得到，具体参数如表1：

表1 材料参数表

边界条件设置

    根据实际安装工况，并通过载荷方程，得出作用于轴承的最大载荷为2000N，并按照图4的方式在轴承外圈均布，同时约束轴承内圈。由于模型为二分之一简化模型，根据对称模型理论，约束切开平面法向方向。

    根据实际接触工况，轴承各部件之间采用无穿透接触设置，如图5和图6所示。

图5 滚子和内外滚道接触

图6 滚子和保持架接触

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