ansys14.0深沟球轴承接触分析.pdfVIP

产品设计实践实训教程

13深沟球轴承接触分析

13.1实践任务和目的

滚动轴承的刚度、接触应力及寿命是工程应用中关心的热点问题。滚动轴承接触分析的困难在于滚

动体与圈体的接触，滚动体在载荷为0的情况下与圈体接触为一点，随着载荷的增大，点接触变为面接

触。接触区域的位置、大小、形状、接触面压力及摩擦力分布等接触参数在分析前未知，它们随外载荷

变，是典型的边界非线性问题。深沟球轴承结构简单、使用方便，是生产批量最大、应用范围最广的一

类轴承。本实验以618/5深沟球轴承为代表，利用ansys软件的建立深沟球轴承的三维有限元模型。通过

E=210GPa

加载边界条件，进行面－面接触分析，得出轴承的接触应力分布。轴承弹性模量，泊松比

0.3

，

作用在轴承上的力P=3.472Mpa。

13.2实验环境

Ansys14.0及其以上版本软件，win7以上版本操作系统

13.3实践准备

接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算，理解问题的特性和

建立合理的模型是很重要的。接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，柔体─柔体的接触，在

刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形

体相比，有大得多的刚度），

一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问

题归为此类接触；另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是

变形体（有近似的刚度）。

1）接触分析的基本概念

①接触协调

因为实际接触体相互不穿透，Ansys在这两个接触面间建立一种关系，防止它们在有限元分析中相

互穿过。将程序防止接触面间相互穿透作用称为强制接触协调。如果没有强制接触协调，接触面间会发

生穿透。

②罚函数法

罚函数法用一个接触“弹簧”在两个接触面间建立关系实现接触协调的方法，弹簧刚度称为惩罚参

数（也可叫接触刚度）。当接触面分开时（开状态），弹簧不起作用；当面开始穿透时（闭合），弹簧起作

用，弹簧偏移量满足平衡方程：F=k△；式中k是接触刚度，△为穿透量，如图

13.1所示。

13.1罚函数法

1

产品设计实践实训教程

为了使得平衡方程有意义，穿透量△必须大于0，然而,实际的

接触体相互不穿透，因此,为了保

证计算精度,应该使发生在接触界面处的穿透量最小，这意味着,理想的接触刚度应该是个非常大的值，

但接触刚度太大,一个微小的穿透将会产生一个过大的接触力,在下一次迭代计算中可能会将接触面推

开。另外用太大的接触刚度通常会导致收敛振荡,并且常会发散。

③lagrange乘子法

lagrange乘子法是另外一种接触协调方法，通过增加一个附加自由度（接触压力）来满足不可穿透

条件。

④增广lagrange法

增广lagrange法是将罚函数法和lagrange乘子法结合起来强制接触协调，在迭代的开始，接触协

调

基于惩罚刚度确定。一旦达到平衡，检查穿透容差，然后根据需要调整附加自由度（接触压力）