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利用ANSYS软件分析滚动轴承接触问题

韦春翔;李伟伟;黄志平;叶冬

【摘要】轴承作为现代机械传动中重要的一环,其工况的好坏直接影响整机的运行.

利用有限元分析软件ANSYS,建立滚动轴承接触分析的三维有限元模型,并进行工

况加载,模拟得到承载过程中的应力和变形分布趋势.并利用Labview软件对轴承在

载荷下的信息进行了采集,验证ANSYS分析轴承接触问题的准确性.

【期刊名称】《制造技术与机床》

【年(卷),期】2013(000)010

【总页数】3页(P56-58)

【关键词】ANSYS;滚动轴承;有限元;接触问题

【作者】韦春翔;李伟伟;黄志平;叶冬

【作者单位】上海三一精机有限公司,上海201200;上海三一精机有限公司,上海

201200;上海三一精机有限公司,上海201200;上海三一精机有限公司,上海

201200

【正文语种】中文

【中图分类】TG502

工程实际中广泛存在的接触问题是一种高度非线性问题，两接触体间的接触应力随

着外载荷的变化而变化，接触体的变形和接触边界的摩擦作用使得部分边界条件随

载荷的施加过程不同而变化。轴承作为现代机械传动部分中十分重要的一环，它依

靠内部各构件间的滚动接触来支撑转动零件实现运动和力的传递，其工况的好坏直

接影响整机的运行。滚动轴承的接触问题体现在两方面:(1)滚动体与内外圈间的接

触应力大小;(2)轴承在载荷下的变形量。但是接触问题的求解一般是比较困难的，

目前常用的是数值解法。而数值解法又分为有限元法、有限差分法、边界单元法等。

其中有限元法是在工程上应用最为广泛的方法，它可以用来分析较复杂的接触问题。

本文以机械中常见的滚珠轴承为分析对象，利用ANSYS软件对滚珠轴承进行分析，

并将得到结果与实际变形结果对比，得出利用ANSYS分析轴承接触问题的可行方

法。

1轴承的三维接触有限元分析

1.1轴承样例

以常见的6300为例:材料为GCr15，外径D=35mm，内径d=10mm，宽度

B=11mm，钢球直径Dw=6.35mm，内圈沟道曲率半径Ri=3.27mm，内圈沟

道沟底直径Di=17.15mm，外圈沟道曲率半径Re=3.334mm，外圈沟道沟底直

径De=29.85mm，接触角α=0，钢球数量Z=7。

材料参数:弹性模量E=207000MPa，泊松比μ=0.3。径向载荷Fr=3472N。最

大承载钢球径向载荷Q=2480N。

1.2轴承的三维实体建模

角接触球轴承机构需考虑内外圈不同的曲率半径，形状比较复杂，直接利用

ANSYS内部的建模功能不能精确地建立轴承的几何模型，势必造成几何形状上不

必要的误差。通常在CAD软件中建立实体模型，利用CAD软件与ANSYS的接

口导入ANSYS，所以先根据该型号轴承的尺寸，在Pro/E中建立几何模型(在此忽

略保持架)。接着启动ANSYS，选择菜单File＞Import＞Pro/E，打开ANSYS的

Pro/E的接口对话框，选择刚保存的轴承装配体文件，如图1。

1.3单元选择及网格划分

ANSYS中定义两物体接触是通过设置两接触体的接触面来实现的，为了减少后续

有限元模型的单元数，以节省出更多的计算机资源来精确地求解接触问题，对轴承

滚道面与滚珠面接触的范围与面积参考经典理论计算的结果，只建立1/8的模型，

采用8节点离散三维实体单元Solid45，进行网格划分(Smart4级精度)。

1.4轴承接触问题的描述

接触问题一般分为两种基本类型:刚体—柔体的接触和半柔体—柔体的接触。

ANSYS10.0支持三种接触方式即:点—点、点—面和面—面，每种接触方式使用

特定的接触单元。轴承问题明显属于面面接触，模型中的接触单元选用Targe170

即钢球面，Contact174即圈体面。如图3所示接触对。

1.5边界条件及加载

由于分析模型只选取1/8的圈体分析，因此剖面处应加对此约束;轴承通常安装在