高速重载滚动轴承接触应力和变形的有限元分析

第 10期 蒋立冬等：高速重载滚动轴承接触应力和变形的有限元分析 一63一 来约束刚体运动时，必须保证在初始几何体中，接触对是接触的。 由于这里是静力学分析，在建立模型时就保证接触对是“刚好接 触”的。 考虑到轴承受力的对称性，同时也为了节省计算机资源，文 中选用轴承的一半导入 ANSYS进行分析。在网格划分的过程中， 单元类型选为SOLID92，采用自由网格，在滚动体与内外圈所有 可能的接触区域对网格进行加密，保证在所有可能的接触区域有 足够的网格密度，而在远离接触区的地方选择较大的网格尺寸， 轴承的有限元网格模型，如图2所示。 可能的接触区域 图2有限元网格模型 运用 ANSYS的面一面接触问题分析功能，确定为柔体一柔体 接触，以外圈滚道表面和内圈滚道表面作为目标面，滚动体表面 作为接触面。接触面单元类型选为含中节点的八节点四边形单元 CONTA174，目标面接触单元类型选为无中节点的三节点单元 TARGE170，对于一半的轴承分析模型，共建立了 12个接触对。 程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接 触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常的号，不同的接触 对必须通过不同的实常数号来定义。下面是建立其中一个接触对 的APDL程序： ET，2，targe170 ET，3，conta174 R⋯3 ，0．1，0．1，-4．092902901E-05， Asel，s，area，，6 nsla，，1 Cm，nei，node esln，s，0 Rea1．3 Type，2， Esurf，， Asel，s，area，，10 nsla，，1 Cm，qiunei，node esln，s，0 Type，3， esurf 2_2约束及加载 因为着重分析轴承内部的接触应力和变形，计算过程中不考 虑轴以及轴承支座变形的影响。所计算的轴承外圈转动，内圈静 止，而且内圈通常都安装于刚性很大的实心轴上，这里对内圈内 表面施加6个自由度全为0的固定约束。在内外圈和球的对称面 施加对称约束，并分别在轴承内外圈的一个端面施加轴向的固定 约束。载荷加在外圈外表面，如图3所示。 轴向 对称面 固定刚性面 图3有限元分析模型 2．3 ANSYS运算环境的设置 采用增强拉格朗日法进行求解，拉格朗日方法不易引起病态 条件，对接触刚度的灵敏度较小。为了使接触力的光滑传递不会 被破坏，同时又保证有足够的时间步长来描述适当的接触，这里 打开自动时间步长，开启预测器，并设置最大迭代次数为50。同 时使用线性搜索选项来使计算稳定化。 一 般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到 可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩 阵的病态问题而保证收敛性，所以，这里设置法向接触刚度因子 FKN=I．0，切向接触刚度因子TKN=I．0，最大渗透范围FTOLN= 0．1，初始靠近因子 ICONT=0．01。 3计算结果分析 滚动轴承的整体接触应力云图，为了更清楚的看到各个滚动 体与内外圈的接触情况，分别导出了内圈、滚动体和外圈的接触 应力云图(图略)，从图上可以看到，上半圈的三个滚动体有明显 的接触应力，最上部的钢球接触应力最大，达到了tr,~=800MPa。 如图4所示，分别是受力最大的滚动体接触应力和变形的分 布云图，从而也可清晰的看到滚动体与内外圈的接触区域形状。 这里的接触区域形状是通过有限元方法，得到应力作用下变形的 节点的最终位置而得到的，使得滚动轴承的研究中，接触应力与 接触曲面的求解得到了统一，在传统的设计方法中，都是假设接 触曲面为椭圆形接触曲面 。从图中也可以看到，滚动体的最大变 形量Din=0．003545mm。 (a)应力云图 (b)变形云图 图4滚动体的最大应力和变形云图 为了验证计算结果的准确性，又运用传统赫兹接触理论对轴 承的最大接触应力和变形进行了计算，得到的赫兹接触应力 755．8232MPa，变形 D ：0．0045mm，可以看到有限元解与赫兹理 论解具有较好的一致性。 — — 64—— 机械设计与制造 Machinery Design & Manufacture 第 lO期 2008年 10月 文章编号：1001—3997(2008)10—0064—03 B enchmarking 技术在汽车开发领域中的应用 永 祁鹏华 褚超关 张 轶2 ( 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093) ( 上海汽车变速器有限公司，上海 201822) Applications of benchmarking in the auto developing QI Peng-hua ，CHU Chao-meiI,ZHANG Yi ( College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China) ( Shanghai Automobile Gear Works，Shanghai 201 822，China) t 一叠一 寞一奠 寞^ 一羹一生 — 寞—生 一生一 一受 — — —寞 —电— —毫 —蔓 —● 壹 — —寞 Lj。—囊 —． 蔓^ —． ^ — —吏 — —羹 — — 女—寞—奠—寞—奠 —羹— — — —生 一叠 一 一 一生 —羹 【摘 lg l+~T Benchmarl【ing技术的概念；综合国内外汽车发展的历史和现状，针对我国汽车开发 ： 经验、知识积累不足问题，引入了Benchmarking技术的样车分析技术体系，细化了样车Benchmarking的 流程，说明了Benchmarking技术的应用过程。最后介绍了目前 Benchmarking技术在汽车开发知识库系 统中的应用现状。 关键词：Benchmarking技术；汽车开发；知识库 【Abstract]The views on the Benchmarking are introduced．Synthes&ing the local and overseas histo- ry and actuality ofthe auto development，Technology em ofthe typical a~zto analysis with Benchmark- ing technology is brought forward with respect to the lack of experience and knowledge about auto devel- oping，Formulate the flow process of the typical auto Benchmarking，and show the application procedure of Benchmarking．At last the applications ofBenchmarking in the KBS ofauto developing are putforward． Key words：Benchmarking technology；Auto developing；Knowledge base 中图分类号：TH16，U462．1 文献标识码：A 1引言 随着经济全球化进程的加快，世界汽车工业生存竞争13益加 剧，汽车制造商都在加紧新车型的研究开发，为减少新车型的开发 成本、缩短新车型的开发周期，提高新产品的市场竞争力，各种新技 术和新方法陆续运用于汽车开发中，以提高汽车研发的速度和质量。 但汽车开发是一个庞大的系统工程，高质量的产品不仅依赖 于理论分析，还依赖于长期积累的生产经验和专门知识。国外企 业都有近百年的造车历史 ，形成了众多产品平台，通过实验和设 ★来稿 Et期：2007—12—17 ★基金项目：上海市大学生创新计划项目 I h-o-⋯● II● 【● ,tll● ,It r◆ Ill,~ ◆ }u III～ ● ,ll a● ● ． I● 计过程，以数据库、模型和产品平台形式积累了大量知识。为了抢 占国际市场，他们都把汽车开发知识库系统作为自己核心机密。 而我国的汽车开发技术远落后于发达国家，虽然国内对整车开发 数据有一定的积累，但由于缺少系统管理和规范的操作程序，没 有规范的知识库，造成大量的数据、经验的丢失，根本无法支持产 品的创新开发，这很大程度上制约了我国汽车产业的发展。 Benchmarking技术作为知识获取多种方法中的一种，在汽 车开发领域，尤其是在我国汽车企业没有系统、全面的知识积累 4结论 采用有限元软件 ANSYS，对高速重载滚动轴承的接触应力 和变形进行了分析计算，得出了结论： (1)采用ANSYS分析软件对滚动轴承接触应力和变形的数值 分析，可以方便、直观的获得内、外圈和滚动体不同部位接触应力和 变形的大小和云图，有限元解与赫兹理论解具有较好一致l生； (2)利用建立模型、设置边界条件以及有限元求解的方法对 滚动轴承接触应力和变形的分析，能够为滚动轴承的设计和优化 提供参考和依据； (3)利用ANSYS中的 APDL语言，编制了滚动轴承接触应力 和变形数值计算的参数化程序，计算速魔陕，计算结果直观 ，便于 工程应用。 参考文献 1万长森 滚动轴承的分析方法．北京：机械工业出版社，1987 2冈本纯三著，黄志强译．球轴承的设i 算．北京：机械工业出版社，2003 3 Luo Jiwei．Contact stress distribution of cylindrical roHer bearing with mis- alignment[M]．Proceedings of the Inter2 national Symposium of Tribology， Beijing China，1993 4 Campos L T，Oden J T，Kikuchi N．A numerical analysis of a class of contact problem with friction in elastonstaties．Computer Meth Appl Mech and Engang，1982，34：821～846 5 Stacke L-E，Fritzson D，Nordling P BEAST-a rolling bearing simulation tool 【Jj．ProcInstnMechEngrsPartK，1999(213)：63～71 6罗继伟．滚动轴承中的弹性接触问题及其数值求解．北京：清华大学出版 社，l989