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基于GAP单元的滚动轴承应力分析杜静1黄文1李成武1冯博1常慧英2

时间:2017-6-30 10:08:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  机械设计与制造基于GAP单元的滚动轴承应力分析杜静1黄文1李成武1冯博1常慧英2 0重庆大学机械传动国家重点。

  滚动轴承实体有限元模型2.1.2接触设置首先把内外圈及滚动体均定义为可变形体,将滚动体与内外圈的接触方式设定为touching,接触容差采用软件中默认值0,即接触节点之间的距离在最小单元尺寸5%以内被认为接触。2.1.3对滚动体的固定由于保持架的主要作用是均匀地隔开滚动体,保证轴承在各种转速下安全地工作,所以在省略保持架的情况下,为了防止滚动体发生刚体位移,可以用刚度很小的弹簧单元将滚动体固定,弹簧一端接地,一端与滚动体上节点相连,其作用与保持架相同,且不影响计算结果,如所示。

  动状态;在接触区域,GAP单元的法向刚度将变得足够大以阻止接触体相互侵入气当点对的相对位移小于初始间隙时,表明接触表面处于接触状态,在GAP单元的法线方向就会存在法向力Fn且法向力为负值,此时GAP单元犹如一个线性弹簧,其法向接触刚度为kA,内外圈就会通过GAP单元在A、B两点之间传递载荷;否则相对位移大于初始间隙时接触点对分离,接触表面为未接触状态,法向力Fn值为零,GAP单元不受力也不传递载荷,从而对分析对象的运动状态不产生影响。

  在用有限元分析软件MSC.Marc/Mentat对滚动轴承进行分析时,不考虑GAP单元的变形,将其设为刚体。GAP单元简化轴承模型,如所示。

  2.1.4边界条件及载荷设置bookmark7滚动轴承工作时,可以是内圈固定,外圈转动,也可以是外圈固定,内圈转动。这里采用约束轴承外圈X、Y、Z三个方向的平动及转动六个自由度,约束内圈沿轴向的平动及转动自由度。为了有效的模拟轴承受力后的应力变化,在轴承中心点处建立一MPC点与轴承内圈内侧所有节点相连,在MPC点上施加一5000N的径向载荷。

  滚动轴承内外圈在径向载荷下的应力结果云图,如所示。

  (a)整体图(b)局部放大图GAP单元简化轴承模型2.2.3接触及载荷设置bookmark9在GAP单元简化滚动轴承的有限元模型中,由于GAP单元直接连接轴承内外圈,所以不需设置接触,边界条件及载荷添加和实体有限元模型中设置相同。

  GAP单元简化滚动轴承模型的内外圈在径向载荷下的应力结果云图,如所示。

  (c)应力放大图实体滚动轴承内外圈应力结果从应力结果的云图上看,最大应力出现在承载区沿载荷法线方向滚动体与内圈的接触位置,应力区域呈椭圆形,在未基础区域应力很小或无应力。

  2.2GAP单元简化滚动轴承的有限元建模2.2.1GAP单元特性描述bookmark11假设GAP单元由A、B两点组成,A、B为内外圈与滚动体接触的对应节点对两点之间的初始间隙设为滚动体的直径Dw.在外力作用下,GAP单元的载荷-位移关系可由接触面的法向分量和切向分量来描述。在未接触区,它不影响分析对象的运GAP单元简化滚动轴承内外圈应力结果由以上结果可以得出:GAP单元简化轴承的建模方法与实体轴承建模方法所得的应力区域均分布在沿载荷法线方向的半个圆周内;两种建模方法的应力分布相同,应力区域均呈椭圆形,应力及应变变化趋势一致。

  3滚动轴承理论验证bookmark12为了验证有限元结果的正确性,对滚动轴承在相同载荷工况下进行理论计算。

  滚动轴承主要靠滚动体与滚道的接触来支撑载荷、传递载荷,对于滚动轴承的内部接触问题,它基本满足赫兹理论所作的假设。

  机械设计与制造bookmark13滚动轴承的接触状态可用来表示,平面I与平面都是包含物体1与物体2的主曲率之平面。

  理论计算采用有限元中计算的轴承模型。

  模型中滚动轴承尺寸参数如表1及所示。

  表1滚动轴承具体尺寸滚动轴承基本结构尺寸球数Z球径内圈沟道曲率半径r外圈沟道曲率半径(mm)内圈沟底直径F(mm)外圈沟底直径E(mm)轴承尺寸轴承承受径向载荷与有限元分析中载荷相同F=5000N,当原始接触角a=0时,最大承载钢球的载荷为:3.1内圈应力计算因此可得轴承接触的主曲率:根据Fp),通过赫兹接触系数表并使用线性插值法,查得:ea=0.079332,e6=0.010578可求得最大接触应力为:3.2外圈应力计算外圈的应力计算方法与内圈基本相同,所得应力计算结果如下:3.3理论与有限元结果对比滚动轴承有限元计算结果与理论计算结果对比,如表2所示。

  表2有限元与理论结果对比参数轴承内圈最大应力(MPa)轴承外圈最大应力(MPa)实体轴承建模GAP简化轴承建模理论计算结果有限元结果与理论有一定的误差,但误差范围很小,且用GAP单元模拟轴承内外圈的接触与理论吻合的最好。

  4结论米用MSC.Marc/Mentat软件对滚动轴承进行有限元分析,考虑滚动体与内外圈的接触方式,利用软件中的GAP单元对轴承进行简化,对实体模型及简化模型进行受力分析,得出有限元分析结果,并对结果进行比较,可以得出如下结论:两种有限元建模方法与理论计算结果对比相差不大,证实了有限元计算结果的正确性。

  GAP单元可以有效的模拟滚动轴承内外圈之间的接触状态,进行力的传递。

  ⑶与实体模型相比,用GAP单元代替滚动体对滚动轴承进行简化所得应力结果与理论吻合较好,且能提高计算精度。

  (4)GAP单元对滚动轴承进行简化,可以提高计算机运算速度,节省时间,提高效率,所以此种方法值得推广。