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《基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第4期(总第143期)机械工程与自动化No142007年8月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONAug1文章编号:167226413(2007)04200902033基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究高红斌(山西大学工程学院,山西太原030013)摘要:为从内部寻找滚动轴承发生故障的原因,经过比较从三种常用分析方法中选取了有限元法;以ANSYS为计算机工具,建立了其有限元模型;以典型的径向载荷和边界条件为例,分析研究了其内部位移和载荷分布规律;计算了其前两阶固有频率,对其进行了模态分析研究。由分析和研究结果寻找出其发生故障的内部机
2、理,为深入研究滚动轴承的现场破坏机理提供了理论依据。关键词:滚动轴承;有限元法;结构分析;模态分析中图分类号:TH133133∶TB115文献标识码:A0引言待求变量。随着科技与工业的发展,机械设备工作环境也更ANSYS是目前唯一能够实现多物理场耦合分析加复杂,使得机械振动问题日益突出。作为旋转机械的通用有限元分析软件,它能够实现结构、温度场、流系统的主要组成之一,滚动轴承更是易损零件。据统场、电磁场之间的耦合分析,具有强大的结构非线性[2]计,在使用滚动轴承的旋转机械中,大约30%的机械分析功能。故障是由于滚动轴承的损坏造成的。因此,非常有必2用ANSYS对滚动轴
3、承进行结构分析要对滚动轴承进行结构与模态分析,从内部找出其故接触问题属于边界非线性问题,其特点是:在接障机理。笔者针对滚动轴承受载时重要质点的位移、应触问题中某些边界条件不是在计算开始给出,而是计力分布及模态进行分析研究。算的结果。在轴承安装时,轴承内圈与轴的配合、轴对滚动轴承的结构分析研究常用的有静力学模承外圈与轴承座的配合以及轴承滚子与内外圈的受力型、动力学模型、有限元模型等。静力学模型简捷方就是典型的接触问题。便但其忽略了很多实际参数的影响;动力学模型考虑211滚动轴承的实体分析模型到实际润滑、加速等的影响,但过于复杂的数值积分滚动轴承的接触区域是由两个不等曲
4、率的轴对称使得在实际分析研究中的计算难度加大;有限元法是表面组成的三维接触区域,以2204滚动轴承(单列向结构分析的一种数值离散化计算方法,运用有限元工心短圆柱滚子轴承)为例,忽略模型倒角与边棱,考虑具ANSYS来对滚动轴承的位移、应力分布及模态进到润滑、滚动摩擦及保持架对轴承的模态分析影响很行分析可以达到预期的研究目标。小,并且轴承是沿xy面对称的,对于径向载荷来说,[3]1运用ANSYS进行有限元分析的原理受力的为下半圈的滚动体。因此可以取下半圈模型[1]有限元分析法基本思想如下:假想把连续系统来进行有限元计算,建立的轴承实体模型见图1。分割成数目有限的单元,单
5、元之间只在数目有限的指212滚动轴承的有限元分析模型定点处相互连接,构成一个单元结合体来代替原来的选择体单元类型为Solid92,设定材料的弹性模连续系统,在节点上引进等效载荷来代替实际作用于量、泊松比、密度,取网格边长为01002mm,对分析系统上的外载荷;对每个单元由分块近似的思想,按模型进行首次初步划分,并对接触部分接触单元网格一定的规则建立求解未知量与节点相互作用力之间的进行细化,最后得出的有限元分析模型见图2。关系;把上述所有这种单元的特性关系按照一定的条213模型简化与边界条件的假定件集合起来,引入边界条件,构成一组以节点变量为为方便计算,对有限元模型的
6、边界条件进行了简[4]未知量的代数方程组,求解之就得到有限个节点处的化:①将内圈与轴的配合面设为刚性面,忽略内圈与3山西省青年科技基金资助项目(20051029)收稿日期:2007203205作者简介:高红斌(19802),男,山西襄汾人,硕士,主要从事机械系统故障诊断研究。2007年第4期高红斌:基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究·91·轴过盈配合时产生的应力影响;②将外圈与轴承座配直方向的位移分布规律与总的位移分布规律几乎完全合表面设为刚性面;③轴承的负荷一般是经由轴传递一致,并且其位移分布也是轴对称的,这与实际情况给内圈的,外载荷在内圈与轴配合面上的应
7、力形式对完全吻合,说明了该分析的正确性。轴承内部接触问题的影响可以忽略,假定配合面上的应力是沿外载荷方向均匀分布的;④内圈内表面与内圈剖面上的节点将有相同的沿径向力方向的位移。为了使计算与真实工作条件相符,特设定以下边界条件:对外套圈表面施加x、y向约束;对对称剖面施加对称约束;使内圈内表面与内圈xz面耦合,以使其具有相同的沿y向的位移;将径向力沿y向施加在耦合后的主节点上。图3加载后的受力分析模型图1轴承实体模型图4受力前后边界图图2轴承的有限元分析模型3结构分析在圆柱滚子滚动轴承受径向力的情况下,其载荷以及变形的分布在滚子的任一横截面上都是相同的。因此取一轴
