32222型圓錐滾子軸承的疲勞分析

李偉

摘要： 疲勞壽命是對(duì)軸承使用的一個(gè)基本要求，疲勞破壞是軸承破壞和失效的主要原因之一。在Ansys Workbench軟件中，軸承在只承受徑向載荷作用下，繪制出了疲勞破壞的云圖。

Abstract:Fatigue life is a basic requirement of the usage of the bearing, fatigue failure is a major cause of the damage and failure of the bearings. In the Ansys Workbench software, the nephograms of the fatigue failure are mapped out only under the effect of radial loads.

關(guān)鍵詞： 疲勞壽命；疲勞破壞；Ansys Workbench；云圖

Key words: fatigue life；fatigue failure；Ansys Workbench；nephogram

中圖分類號(hào)：TH133.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2014）23-0066-02

1疲勞概述

在小于極限載荷的外力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂的現(xiàn)象稱之為疲勞。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的失效形式有多種，其中疲勞失效就是常見的一種。載荷重復(fù)循環(huán)的加載對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成疲勞破壞，按照載荷重復(fù)加載的次數(shù)可以將其分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)比較高時(shí)產(chǎn)生的，例如循環(huán)次數(shù)為104~109時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高周疲勞；低周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)產(chǎn)生的。應(yīng)力疲勞多屬于高周疲勞；而塑性變形常常伴隨著低周疲勞。疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。

2疲勞分析的程序

疲勞分析的步驟為：①指定模型材料特性；②選取S-N曲線；③定義接觸區(qū)域；④定義網(wǎng)格控制；⑤施加載荷和約束；⑥（設(shè)定）需要的結(jié)果；⑦求解模型。

疲勞計(jì)算只支持對(duì)體和面的計(jì)算，對(duì)于線模型來說，目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果，所以對(duì)于線的疲勞計(jì)算是忽略的，在模型中，線可以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。

2.1 指定模型材料特性由于有線性靜力分析，所以需要用到楊氏模量和泊松比。本課題研究的是圓錐滾子軸承，因此取其材料為軸承鋼GCr15（楊氏模量E=2.07×105MPa，泊松比μ=0.3）。

疲勞模塊需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型是在“疲勞特性”(Fatigue Properties)下說明的。

2.2 選取疲勞特征曲線疲勞分析需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”選項(xiàng)中輸入的。

2.3 定義接觸區(qū)域在疲勞分析中可以包括接觸區(qū)域，對(duì)于非線性接觸問題，如果振幅一定時(shí)，疲勞壽命的計(jì)算可以用非比例載荷的方法來代替。在ANSIS Workbench中，軟件會(huì)自動(dòng)選擇接觸對(duì)。

2.4 劃分網(wǎng)格 在軟件中設(shè)置網(wǎng)格單元的尺寸為1mm，共產(chǎn)生了34411個(gè)節(jié)點(diǎn)，7380個(gè)單元。劃分網(wǎng)格如圖1所示。

2.5 添加約束條件和載荷在分析圓錐滾子軸承滾子與內(nèi)外圈滾道接觸時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立二分之一滾子接觸模型，并施加對(duì)稱邊界條件。確定好位移邊界條件后，對(duì)有限元實(shí)體模型施加集中載荷，即施加在32222型圓錐滾子軸承的載荷為集中力載荷。

考慮模型的對(duì)稱性，約束條件如下：①對(duì)稱約束：滾子所在的剖面處施加對(duì)稱約束，另一剖面施加周期對(duì)稱約束；②耦合自由度：當(dāng)軸承在軸上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸相當(dāng)于剛體，因此，軸承的內(nèi)圈和軸有相同的位移，耦合內(nèi)圈表面上的所有節(jié)點(diǎn)的徑向和周向的自由度，這樣就能保持內(nèi)圈的內(nèi)表面為剛性。③軸承座的模擬：軸承座套住軸承時(shí)，軸承的外圈的外表面與軸承座接觸，軸承座作為剛體來看待，因此軸承的外表面也要作為剛體來看待，要約束軸承外表面的所有自由度，即對(duì)軸承的外表面的各個(gè)方向的位移進(jìn)行約束；④法蘭的模擬：法蘭的目的是防止軸承的內(nèi)外圈發(fā)生軸向的滑移，因此需要約束軸承圈體的軸向的位移。

在軸承的內(nèi)圈和內(nèi)圈端面上施加壓力載荷，其大小如下：Q0===98900N

由于軸承的內(nèi)圈直徑為110mm，寬度為53mm，所以可以得到承載面積為：S=π×110×53=18306.2mm2

而單個(gè)滾子所占部分的內(nèi)圈面積：

s===915.31mm2

因此可以得到施加在單個(gè)滾子內(nèi)圈上的載荷為：

P===108.05MPa

3ANSYS Workbench疲勞分析求解的結(jié)果

疲勞分析是以靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)的，先通過靜力學(xué)分析，軟件再進(jìn)行疲勞分析。靜力學(xué)分析的結(jié)果主要有軸承的等效應(yīng)力（如圖2）與總變形（如圖3）。

[B: Static Structural(ANSYS)

Equivalent Stress

Type: Equivalent(von-Mises)Stress

Unit MPa

Time: 1

2013-3-5 17:54][4409.6 Max

3919.6

3429.7

2939.8

2449.8

1959.9

1470

980.04

490.1

0.16643Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖2承受徑向載荷時(shí)軸承元件的等效應(yīng)力圖

[B:Static Structural(ANSYS)

Total Deformation

Type: Total Deformation

Unit: mm

Time: 1

2013-3-5 17:54][1.6251Max

1.4445

1.2639

1.0834

0.90281

0.72225

0.54169

0.36112

0.18056

0Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖3僅承受徑向載荷時(shí)軸承元件的總變形圖

以上圖2、3的結(jié)果說明，在滾子與內(nèi)外圈的接觸處，尤其是滾子的小端與內(nèi)、外圈滾道道的接觸處，等效應(yīng)力最大，這是因?yàn)樵趫A錐滾子軸承中，負(fù)荷主要由滾子來承擔(dān)，而滾子與內(nèi)外圈的接觸處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

以下各圖是利用Workbench工具分析的結(jié)果，其中包括軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

從圖4到圖6可以看出，當(dāng)軸承只受到徑向載荷時(shí)，軸承滾子和內(nèi)外圈的接觸部位壽命較低，安全系數(shù)最低，而且接觸處的破壞也是最大。

從以上各圖中可以看出，軸承只受徑向載荷作用與其同時(shí)受徑向和軸向復(fù)合載荷作用兩種情況下，安全系數(shù)分布、壽命、以及滾子的破壞位置都沒有大的變化。從圖中可以看出滾子和內(nèi)外圈接觸處壽命最短（如圖4），安全系數(shù)比較低（如圖5），最可能的破壞部位在內(nèi)圈和滾子尾端的接觸處，即滾子小端和內(nèi)圈的接觸處（如圖6）。圖7是疲勞敏感性曲線圖。所謂疲勞敏感性是指該圖顯示出部件的壽命、損傷或者安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨著載荷的變化而變化的，它能夠輸入載荷變化的極限。該圖的橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，整個(gè)圖表表示圓錐滾子軸承在一定次數(shù)的交變載荷下能夠承受的最大疲勞應(yīng)力。

4結(jié)束語

本文介紹了利用ANSYS Workbench分析軟件求解圓錐滾子軸承在承受徑向載荷時(shí)元件上的應(yīng)力與位移變形結(jié)果，接著對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行疲勞分析，得到了軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊咸啟.高速輕載圓柱滾子軸承分析[J].軸承，1999(10):3-6.

[2]馬國(guó)華，胡桂蘭.滾動(dòng)軸承彈性接觸問題的數(shù)值計(jì)算[J].軸承，2005(1):1-3.

[3]林國(guó)昌，徐從儒，林基恕.滾子軸承準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1992，7(1):17-21.

摘要： 疲勞壽命是對(duì)軸承使用的一個(gè)基本要求，疲勞破壞是軸承破壞和失效的主要原因之一。在Ansys Workbench軟件中，軸承在只承受徑向載荷作用下，繪制出了疲勞破壞的云圖。

Abstract:Fatigue life is a basic requirement of the usage of the bearing, fatigue failure is a major cause of the damage and failure of the bearings. In the Ansys Workbench software, the nephograms of the fatigue failure are mapped out only under the effect of radial loads.

關(guān)鍵詞： 疲勞壽命；疲勞破壞；Ansys Workbench；云圖

Key words: fatigue life；fatigue failure；Ansys Workbench；nephogram

中圖分類號(hào)：TH133.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2014）23-0066-02

1疲勞概述

在小于極限載荷的外力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂的現(xiàn)象稱之為疲勞。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的失效形式有多種，其中疲勞失效就是常見的一種。載荷重復(fù)循環(huán)的加載對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成疲勞破壞，按照載荷重復(fù)加載的次數(shù)可以將其分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)比較高時(shí)產(chǎn)生的，例如循環(huán)次數(shù)為104~109時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高周疲勞；低周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)產(chǎn)生的。應(yīng)力疲勞多屬于高周疲勞；而塑性變形常常伴隨著低周疲勞。疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。

2疲勞分析的程序

疲勞分析的步驟為：①指定模型材料特性；②選取S-N曲線；③定義接觸區(qū)域；④定義網(wǎng)格控制；⑤施加載荷和約束；⑥（設(shè)定）需要的結(jié)果；⑦求解模型。

疲勞計(jì)算只支持對(duì)體和面的計(jì)算，對(duì)于線模型來說，目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果，所以對(duì)于線的疲勞計(jì)算是忽略的，在模型中，線可以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。

2.1 指定模型材料特性由于有線性靜力分析，所以需要用到楊氏模量和泊松比。本課題研究的是圓錐滾子軸承，因此取其材料為軸承鋼GCr15（楊氏模量E=2.07×105MPa，泊松比μ=0.3）。

疲勞模塊需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型是在“疲勞特性”(Fatigue Properties)下說明的。

2.2 選取疲勞特征曲線疲勞分析需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”選項(xiàng)中輸入的。

2.3 定義接觸區(qū)域在疲勞分析中可以包括接觸區(qū)域，對(duì)于非線性接觸問題，如果振幅一定時(shí)，疲勞壽命的計(jì)算可以用非比例載荷的方法來代替。在ANSIS Workbench中，軟件會(huì)自動(dòng)選擇接觸對(duì)。

2.4 劃分網(wǎng)格 在軟件中設(shè)置網(wǎng)格單元的尺寸為1mm，共產(chǎn)生了34411個(gè)節(jié)點(diǎn)，7380個(gè)單元。劃分網(wǎng)格如圖1所示。

2.5 添加約束條件和載荷在分析圓錐滾子軸承滾子與內(nèi)外圈滾道接觸時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立二分之一滾子接觸模型，并施加對(duì)稱邊界條件。確定好位移邊界條件后，對(duì)有限元實(shí)體模型施加集中載荷，即施加在32222型圓錐滾子軸承的載荷為集中力載荷。

考慮模型的對(duì)稱性，約束條件如下：①對(duì)稱約束：滾子所在的剖面處施加對(duì)稱約束，另一剖面施加周期對(duì)稱約束；②耦合自由度：當(dāng)軸承在軸上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸相當(dāng)于剛體，因此，軸承的內(nèi)圈和軸有相同的位移，耦合內(nèi)圈表面上的所有節(jié)點(diǎn)的徑向和周向的自由度，這樣就能保持內(nèi)圈的內(nèi)表面為剛性。③軸承座的模擬：軸承座套住軸承時(shí)，軸承的外圈的外表面與軸承座接觸，軸承座作為剛體來看待，因此軸承的外表面也要作為剛體來看待，要約束軸承外表面的所有自由度，即對(duì)軸承的外表面的各個(gè)方向的位移進(jìn)行約束；④法蘭的模擬：法蘭的目的是防止軸承的內(nèi)外圈發(fā)生軸向的滑移，因此需要約束軸承圈體的軸向的位移。

在軸承的內(nèi)圈和內(nèi)圈端面上施加壓力載荷，其大小如下：Q0===98900N

由于軸承的內(nèi)圈直徑為110mm，寬度為53mm，所以可以得到承載面積為：S=π×110×53=18306.2mm2

而單個(gè)滾子所占部分的內(nèi)圈面積：

s===915.31mm2

因此可以得到施加在單個(gè)滾子內(nèi)圈上的載荷為：

P===108.05MPa

3ANSYS Workbench疲勞分析求解的結(jié)果

疲勞分析是以靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)的，先通過靜力學(xué)分析，軟件再進(jìn)行疲勞分析。靜力學(xué)分析的結(jié)果主要有軸承的等效應(yīng)力（如圖2）與總變形（如圖3）。

[B: Static Structural(ANSYS)

Equivalent Stress

Type: Equivalent(von-Mises)Stress

Unit MPa

Time: 1

2013-3-5 17:54][4409.6 Max

3919.6

3429.7

2939.8

2449.8

1959.9

1470

980.04

490.1

0.16643Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖2承受徑向載荷時(shí)軸承元件的等效應(yīng)力圖

[B:Static Structural(ANSYS)

Total Deformation

Type: Total Deformation

Unit: mm

Time: 1

2013-3-5 17:54][1.6251Max

1.4445

1.2639

1.0834

0.90281

0.72225

0.54169

0.36112

0.18056

0Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖3僅承受徑向載荷時(shí)軸承元件的總變形圖

以上圖2、3的結(jié)果說明，在滾子與內(nèi)外圈的接觸處，尤其是滾子的小端與內(nèi)、外圈滾道道的接觸處，等效應(yīng)力最大，這是因?yàn)樵趫A錐滾子軸承中，負(fù)荷主要由滾子來承擔(dān)，而滾子與內(nèi)外圈的接觸處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

以下各圖是利用Workbench工具分析的結(jié)果，其中包括軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

從圖4到圖6可以看出，當(dāng)軸承只受到徑向載荷時(shí)，軸承滾子和內(nèi)外圈的接觸部位壽命較低，安全系數(shù)最低，而且接觸處的破壞也是最大。

從以上各圖中可以看出，軸承只受徑向載荷作用與其同時(shí)受徑向和軸向復(fù)合載荷作用兩種情況下，安全系數(shù)分布、壽命、以及滾子的破壞位置都沒有大的變化。從圖中可以看出滾子和內(nèi)外圈接觸處壽命最短（如圖4），安全系數(shù)比較低（如圖5），最可能的破壞部位在內(nèi)圈和滾子尾端的接觸處，即滾子小端和內(nèi)圈的接觸處（如圖6）。圖7是疲勞敏感性曲線圖。所謂疲勞敏感性是指該圖顯示出部件的壽命、損傷或者安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨著載荷的變化而變化的，它能夠輸入載荷變化的極限。該圖的橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，整個(gè)圖表表示圓錐滾子軸承在一定次數(shù)的交變載荷下能夠承受的最大疲勞應(yīng)力。

4結(jié)束語

本文介紹了利用ANSYS Workbench分析軟件求解圓錐滾子軸承在承受徑向載荷時(shí)元件上的應(yīng)力與位移變形結(jié)果，接著對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行疲勞分析，得到了軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊咸啟.高速輕載圓柱滾子軸承分析[J].軸承，1999(10):3-6.

[2]馬國(guó)華，胡桂蘭.滾動(dòng)軸承彈性接觸問題的數(shù)值計(jì)算[J].軸承，2005(1):1-3.

[3]林國(guó)昌，徐從儒，林基恕.滾子軸承準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1992，7(1):17-21.

摘要： 疲勞壽命是對(duì)軸承使用的一個(gè)基本要求，疲勞破壞是軸承破壞和失效的主要原因之一。在Ansys Workbench軟件中，軸承在只承受徑向載荷作用下，繪制出了疲勞破壞的云圖。

Abstract:Fatigue life is a basic requirement of the usage of the bearing, fatigue failure is a major cause of the damage and failure of the bearings. In the Ansys Workbench software, the nephograms of the fatigue failure are mapped out only under the effect of radial loads.

關(guān)鍵詞： 疲勞壽命；疲勞破壞；Ansys Workbench；云圖

Key words: fatigue life；fatigue failure；Ansys Workbench；nephogram

中圖分類號(hào)：TH133.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2014）23-0066-02

1疲勞概述

在小于極限載荷的外力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂的現(xiàn)象稱之為疲勞。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的失效形式有多種，其中疲勞失效就是常見的一種。載荷重復(fù)循環(huán)的加載對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)造成疲勞破壞，按照載荷重復(fù)加載的次數(shù)可以將其分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)比較高時(shí)產(chǎn)生的，例如循環(huán)次數(shù)為104~109時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高周疲勞；低周疲勞是在載荷的重復(fù)循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)產(chǎn)生的。應(yīng)力疲勞多屬于高周疲勞；而塑性變形常常伴隨著低周疲勞。疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。

2疲勞分析的程序

疲勞分析的步驟為：①指定模型材料特性；②選取S-N曲線；③定義接觸區(qū)域；④定義網(wǎng)格控制；⑤施加載荷和約束；⑥（設(shè)定）需要的結(jié)果；⑦求解模型。

疲勞計(jì)算只支持對(duì)體和面的計(jì)算，對(duì)于線模型來說，目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果，所以對(duì)于線的疲勞計(jì)算是忽略的，在模型中，線可以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。

2.1 指定模型材料特性由于有線性靜力分析，所以需要用到楊氏模量和泊松比。本課題研究的是圓錐滾子軸承，因此取其材料為軸承鋼GCr15（楊氏模量E=2.07×105MPa，泊松比μ=0.3）。

疲勞模塊需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型是在“疲勞特性”(Fatigue Properties)下說明的。

2.2 選取疲勞特征曲線疲勞分析需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下材料特性當(dāng)中的S-N曲線數(shù)據(jù)：S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”選項(xiàng)中輸入的。

2.3 定義接觸區(qū)域在疲勞分析中可以包括接觸區(qū)域，對(duì)于非線性接觸問題，如果振幅一定時(shí)，疲勞壽命的計(jì)算可以用非比例載荷的方法來代替。在ANSIS Workbench中，軟件會(huì)自動(dòng)選擇接觸對(duì)。

2.4 劃分網(wǎng)格 在軟件中設(shè)置網(wǎng)格單元的尺寸為1mm，共產(chǎn)生了34411個(gè)節(jié)點(diǎn)，7380個(gè)單元。劃分網(wǎng)格如圖1所示。

2.5 添加約束條件和載荷在分析圓錐滾子軸承滾子與內(nèi)外圈滾道接觸時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立二分之一滾子接觸模型，并施加對(duì)稱邊界條件。確定好位移邊界條件后，對(duì)有限元實(shí)體模型施加集中載荷，即施加在32222型圓錐滾子軸承的載荷為集中力載荷。

考慮模型的對(duì)稱性，約束條件如下：①對(duì)稱約束：滾子所在的剖面處施加對(duì)稱約束，另一剖面施加周期對(duì)稱約束；②耦合自由度：當(dāng)軸承在軸上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸相當(dāng)于剛體，因此，軸承的內(nèi)圈和軸有相同的位移，耦合內(nèi)圈表面上的所有節(jié)點(diǎn)的徑向和周向的自由度，這樣就能保持內(nèi)圈的內(nèi)表面為剛性。③軸承座的模擬：軸承座套住軸承時(shí)，軸承的外圈的外表面與軸承座接觸，軸承座作為剛體來看待，因此軸承的外表面也要作為剛體來看待，要約束軸承外表面的所有自由度，即對(duì)軸承的外表面的各個(gè)方向的位移進(jìn)行約束；④法蘭的模擬：法蘭的目的是防止軸承的內(nèi)外圈發(fā)生軸向的滑移，因此需要約束軸承圈體的軸向的位移。

在軸承的內(nèi)圈和內(nèi)圈端面上施加壓力載荷，其大小如下：Q0===98900N

由于軸承的內(nèi)圈直徑為110mm，寬度為53mm，所以可以得到承載面積為：S=π×110×53=18306.2mm2

而單個(gè)滾子所占部分的內(nèi)圈面積：

s===915.31mm2

因此可以得到施加在單個(gè)滾子內(nèi)圈上的載荷為：

P===108.05MPa

3ANSYS Workbench疲勞分析求解的結(jié)果

疲勞分析是以靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)的，先通過靜力學(xué)分析，軟件再進(jìn)行疲勞分析。靜力學(xué)分析的結(jié)果主要有軸承的等效應(yīng)力（如圖2）與總變形（如圖3）。

[B: Static Structural(ANSYS)

Equivalent Stress

Type: Equivalent(von-Mises)Stress

Unit MPa

Time: 1

2013-3-5 17:54][4409.6 Max

3919.6

3429.7

2939.8

2449.8

1959.9

1470

980.04

490.1

0.16643Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖2承受徑向載荷時(shí)軸承元件的等效應(yīng)力圖

[B:Static Structural(ANSYS)

Total Deformation

Type: Total Deformation

Unit: mm

Time: 1

2013-3-5 17:54][1.6251Max

1.4445

1.2639

1.0834

0.90281

0.72225

0.54169

0.36112

0.18056

0Min][0.0020.00(mm)][10.00][X][Y][Z]

圖3僅承受徑向載荷時(shí)軸承元件的總變形圖

以上圖2、3的結(jié)果說明，在滾子與內(nèi)外圈的接觸處，尤其是滾子的小端與內(nèi)、外圈滾道道的接觸處，等效應(yīng)力最大，這是因?yàn)樵趫A錐滾子軸承中，負(fù)荷主要由滾子來承擔(dān)，而滾子與內(nèi)外圈的接觸處，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

以下各圖是利用Workbench工具分析的結(jié)果，其中包括軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

從圖4到圖6可以看出，當(dāng)軸承只受到徑向載荷時(shí)，軸承滾子和內(nèi)外圈的接觸部位壽命較低，安全系數(shù)最低，而且接觸處的破壞也是最大。

從以上各圖中可以看出，軸承只受徑向載荷作用與其同時(shí)受徑向和軸向復(fù)合載荷作用兩種情況下，安全系數(shù)分布、壽命、以及滾子的破壞位置都沒有大的變化。從圖中可以看出滾子和內(nèi)外圈接觸處壽命最短（如圖4），安全系數(shù)比較低（如圖5），最可能的破壞部位在內(nèi)圈和滾子尾端的接觸處，即滾子小端和內(nèi)圈的接觸處（如圖6）。圖7是疲勞敏感性曲線圖。所謂疲勞敏感性是指該圖顯示出部件的壽命、損傷或者安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨著載荷的變化而變化的，它能夠輸入載荷變化的極限。該圖的橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，整個(gè)圖表表示圓錐滾子軸承在一定次數(shù)的交變載荷下能夠承受的最大疲勞應(yīng)力。

4結(jié)束語

本文介紹了利用ANSYS Workbench分析軟件求解圓錐滾子軸承在承受徑向載荷時(shí)元件上的應(yīng)力與位移變形結(jié)果，接著對(duì)圓錐滾子軸承進(jìn)行疲勞分析，得到了軸承元件上各處的壽命分布云圖、安全系數(shù)分布云圖、破壞可能性大小的分布云圖與疲勞敏感性曲線圖。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊咸啟.高速輕載圓柱滾子軸承分析[J].軸承，1999(10):3-6.

[2]馬國(guó)華，胡桂蘭.滾動(dòng)軸承彈性接觸問題的數(shù)值計(jì)算[J].軸承，2005(1):1-3.

[3]林國(guó)昌，徐從儒，林基恕.滾子軸承準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1992，7(1):17-21.