向心关节轴承结构有限元分析Word文档下载推荐.docx

1、基座弹性模量 E/GPa200206刚体泊松比 0.3强度极限19601340分析内容：1.轴向加载 在心轴参考点RP-axis处施加10kN的沿Z轴正向的轴向力。轴承外圈应力云图如下：图（4）云图说明：该云图只显示了外圈，模型以过轴线的平面为剖面进行剖分。 云图分析：对模型应力云图分析可见，最大应力出现在关节轴承外圈靠近边缘（外法线方向与轴力方向相同的一侧边缘）处的内侧。最大应力值为892.9Mpa。轴承外圈变形云图如下： 图（5） 云图说明：单独显示外圈，并将其用过轴线的平面进行剖分。模型的变形缩放系数取为50。 云图分析：从变形云图可见，外圈在靠近边缘处有着最大应变，这与应力云图的结果相

2、符合，是轴承内圈在轴向力作用下与外圈挤压的效果。轴向力作用下轴承外圈强度失效分析： 通过对轴承外圈的应力应变云图分析可见，当轴向力逐渐加大时，外圈边缘内侧的应力将首先达到破坏临界值，届时，轴承外圈边缘处较为薄弱的两个半环对接处将会出现裂纹，轴承失效。这与文献一中所做试验观察到的破坏现象相一致。轴承内圈应力云图如下：图（6）该云图只显示了内圈，模型以过轴线的平面为剖面进行剖分。对模型应力云图分析可见，最大应力出现在关节轴承内圈与外圈边缘接触线附近内部。最大应力值为392.27Mpa。同时测得心轴沿Z轴向的位移为4.120e-2mm球面接触应力云图如下：图（7）该云图为轴承球面接触应力云图，单独显

3、示轴承内圈。球面接触应力最大值出现在Z坐标较大的一侧，其值为593.6Mpa。改变轴向力的大小，经ABAQUS分析后得到如下数据：表（2）载荷大小/kN外圈最大应力/MPa内圈最大心轴位移（轴向）/mm*10e-2球面最大接触应力/MPa4356.33156.281.617237.568712.38313.383.277474.22121075.47472.364.976721.87161441.37634.636.690978.56201808.73798.348.4511236.75242185.47963.7210.2791510.70对上表的数据分析后发现，各个量的值均与载荷大小近似成

4、正比，下面在同一张图中给出不同轴向载荷作用下的内、外圈最大应力值。图（8）采用线性最小二乘法对数据进行拟合，得到外圈最大应力值与轴向载荷的关系为 内圈最大应力值与轴向载荷的关系为 结合该图和模型设定的参数值（见表（1）可见，当轴向力不断增大时，外圈将先于内圈达到破坏临界值，为简便起见，暂取安全系数为1。则可由公式（1）得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为21.64kN。用ABAQUS对轴向载荷为21.64kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1961.46Mpa，与外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为865.76Mpa。说明轴向载荷临界值为21.64kN是合理的

5、。2.径向加载 在心轴参考点RP-axis处施加30kN的沿Y轴正向的径向力，同时限制轴绕X轴的旋转，保证径向力施加均匀。图（9）该云图只显示了外圈，模型以Z-Plane（与Z方向垂直的平面）为剖面在模型Z方向约3.2mm处（以自建坐标系Datum-csys-1的原点为基准）进行剖分。对模型应力云图分析可见，最大应力出现在关节轴承外圈靠近边缘处的内侧。最大应力值为867.3Mpa。该点关于外圈中面对称的点处同样达到最大应力值。图（10）该云图只显示了内圈，模型内圈中面为剖面进行剖分。对模型应力云图分析可见，最大应力出现在内圈中面上，位于内圈内部。最大应力值为736.6Mpa。同时测得心轴沿Y轴

6、向的位移为1.542e-2mm图（11）球面接触应力最大值出现在内圈顶部中心处，其值为823.5Mpa。改变径向力的大小，经ABAQUS分析后得到如下数据：表（3）载荷大小/kN外圈最大应力/MPa内圈最大应力/MPa心轴位移（径向）/mm*10e-2球面最大接触应力/MPa10288.98250.310.518278.32576.37493.431.030550.8730867.31736.581.542823.51401157.48979.282.0541095.45501447.891221.632.5661366.83601736.331463.713.0771638.23对上表的数据

7、分析后发现，各个量的值均与载荷大小近似成正比，下面在同一张图中给出不同径向载荷作用下的内、外圈最大应力值。图（12）外圈最大应力值与径向载荷的关系为 内圈最大应力值与径向载荷的关系为 结合该图和模型设定的参数值（见表（1）可见，当径向力不断增大时，内圈将先于外圈达到破坏临界值，为简便起见，暂取安全系数为1。则可由公式（4）得出内圈达到破坏时的径向载荷临界值为54.84kN。用ABAQUS对径向载荷为54.84kN的情况进行有限元计算，分析结果为内圈最大应力为1338.84Mpa，与内圈强度极限1340Mpa十分接近，此时外圈的最大应力为1587.53Mpa。说明径向载荷临界值为54.84kN是

8、合理的。3.轴径向加载在心轴上施加12kN的轴向力，30kN的径向力，同时限制轴绕X轴的旋转。图（13）该云图只显示了外圈，模型以Z-Plane（与Z方向垂直的平面）为剖面在模型Z方向约3.4mm处（以自建坐标系Datum-csys-1的原点为基准）进行剖分。最大应力值为1863Mpa。图（14）该云图只显示了内圈，模型以Z-Plane（与Z方向垂直的平面）为剖面在模型Z方向约2.4mm处（以自建坐标系Datum-csys-1的原点为基准）进行剖分。对模型应力云图分析可见，最大应力出现在内圈偏Z轴正向处，位于内圈内部。最大应力值为1018Mpa。同时测得心轴沿轴向位移为4.040e-2mm，径

9、向位移为1.745e-2mm。图（15）球面接触应力最大值出现在Z坐标较大一侧的顶部，其值为1450Mpa。设轴向和径向载荷的合力方向与模型轴线方向的夹角为，分别对的情况进行有限元分析，得出六组数据。时测得的数据如下：表（4）心轴位移/mm*10e-2球面最大接触应力/MPa轴向径向1.072386.55170.801.3940.197279.752.144795.93358.973.3230.421587.473.2151216.22543.944.7370.649876.354.2871626.57729.706.4440.8861172.035.3592039.36919.408.203

10、1.1321470.05对上表的数据分析后发现，内外圈应力最大值均与轴向载荷大小近似成正比 结合模型设定的参数值（见表（1）可见，当轴径向载荷不断增大时，外圈将先于内圈达到破坏临界值，为简便起见，暂取安全系数为1。则可由公式（5）得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为19.27kN，根据几何关系算得此时径向载荷为5.163kN。用ABAQUS对轴向载荷为19.27kN、径向载荷为5.163kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1963.59Mpa，与外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为884.36Mpa。说明轴径向载荷临界值为19.27kN和5.163kN是合理的

11、。表（5）2.309420.00193.371.3870.234309.184.619875.37405.473.0450.496641.506.9281326.43620.314.7140.763970.999.2381774.51836.896.4101.0381298.3811.5472224.801057.868.1641.3241627.61则可由公式（7）得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为17.67kN，根据几何关系算得此时径向载荷为10.2kN。用ABAQUS对轴向载荷为17.67kN、径向载荷为10.2kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1961.85Mpa，与

12、外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为928.408Mpa。说明轴径向载荷临界值为17.67kN和10.2kN是合理的。表（6）464.81225.041.3690.276349.19965.83468.102.9870.579720.951462.60713.744.6160.8901088.401957.46960.966.2731.2101453.362452.781211.737.9801.5401818.20则可由公式（9）得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为16.03kN，根据几何关系算得此时径向载荷为16.03kN。用ABAQUS对轴向载荷为16.03kN、径向

13、载荷为16.03kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1961.16Mpa，与外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为962.83Mpa。说明轴径向载荷临界值为16.03kN和16.03kN是合理的。表（7）534.08274.821.3150.389411.5313.8561105.73567.662.8420.821846.2520.7851675.09863.874.3771.2561276.7427.7132241.991162.655.9311.6881702.3134.6412807.181463.097.5152.1152124.34则可由公式（11）

14、得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为14.016kN，根据几何关系算得此时径向载荷为24.277kN。用ABAQUS对轴向载荷为14.016kN、径向载荷为24.277kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1960.98Mpa，与外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为1014.27Mpa。说明轴径向载荷临界值为14.016kN和24.277kN是合理的。表（8）14.928679.05446.911.0570.789559.33622.3921034.51674.261.6211.220846.3629.8561390.26901.982.1881.6501133

15、.1537.3211746.671129.892.7612.0811419.8444.7852102.571357.283.3352.5101705.29 结合模型设定的参数值（见表（1）可见，当轴径向载荷不断增大时，外圈将略先于内圈达到破坏临界值，为简便起见，暂取安全系数为1。则可由公式（13）得出外圈达到破坏时的轴向载荷临界值为11.229kN，根据几何关系算得此时径向载荷为41.908kN。用ABAQUS对轴向载荷为11.229kN、径向载荷为41.908kN的情况进行有限元计算，分析结果为外圈最大应力为1965.42Mpa，与外圈强度极限1960Mpa十分接近，此时内圈的最大应力为12

16、69.57Mpa。说明轴径向载荷临界值为11.229kN和41.908kN是合理的。表（9）211.343417.13301.220.4770.532365.9422.685860.98610.020.9851.129735.3334.0281305.00919.081.4971.7271104.7345.3701750.171229.042.0102.3241427.8656.7132196.251540.102.5242.9211839.88 结合模型设定的参数值（见表（1）可见，当轴径向载荷不断增大时，内圈将略先于外圈达到破坏临界值，为简便起见，暂取安全系数为1。则可由公式（16）得出内

17、圈达到破坏时的轴向载荷临界值为8.719kN，根据几何关系算得此时径向载荷为49.448kN。用ABAQUS对轴向载荷为8.719kN、径向载荷为49.448kN的情况进行有限元计算，分析结果为内圈最大应力为1340.75Mpa，与内圈强度极限1340Mpa十分接近，此时外圈的最大应力为1910.4Mpa。说明轴径向载荷临界值为8.719kN和49.448kN是合理的。根据所测得的不同加载角度下的临界载荷数据，在横坐标为轴向载荷，纵坐标为径向载荷的坐标系中描点连线，如下图所示。图（16）在不同的轴径向载荷作用下，轴承失效一般分为两种情况，一是外圈失效，这主要发生在轴径向载荷角度小于75度时；二

18、是内圈失效，这主要发生在轴径向载荷角度大于80度时。对于外圈失效的情况，根据测得的数据可见，用二次函数进行拟合较为合适，拟合结果如下：对于内圈失效的情况，由于其范围较小，且即得数据不多，用线性拟合即可，最小二乘拟合的结果如下：将拟合所得曲线绘在同一坐标系下，结果如下：图（17）算出图中两条线的交点坐标为（10.19，48.54），该交点的含义为在轴向载荷为10.19kN，径向载荷为48.54kN时，轴承内外圈将同时达到破坏临界值。用ABAQUS进行分析计算，分析结果为外圈最大应力为2017.17kN，与1960kN较为接近。内圈最大应力为1382.94kN，与1340kN较为接近。但该结果误差

19、较大，主要由于对内圈失效的情况采用线性拟合有较大误差，可以多测一些数据加以改进。结束语：通过对向心关节轴承在轴向、径向和轴径向载荷作用下的有限元分析，得到如下结论：（1） 目前用解析方法对轴承的受力情况分析仍有一定困难，但利用ABAQUS软件可以方便地对轴承的受力情况进行分析，从而为轴承的设计和使用提供详实的参考。（2） 大部分加载情况下，轴承外圈首先发生失效。故加强外圈的强度是改善向心关节轴承受力性能的重要手段。（3） 在轴径向载荷作用角度较小时，本例中小于75度，轴承内圈有着一定的安全裕度，可考虑加强外圈强度来提升轴承受力性能。在轴径向载荷作用角度较大时，本例中大于80度，轴承外圈有着一定的安全裕度，可考虑加强内圈强度来提升轴承受力性能。（4） 对本例所分析轴承，当轴径向载荷落在安全载荷包线以内时，轴承正常工作，不会发生破坏，否则轴承失效。