实战干货：基于SIMULIA的滚动轴承仿真方案

滚动轴承广泛应用在机械产品传动系统中。达索系统仿真品牌SIMULIA针对滚动轴承类型产品提供系统的仿真解决方案，对于产品研发过程提供相应的仿真支持手段。

一、滚动轴承的仿真目标
这里介绍的滚动类轴承包括：
· 滚珠轴承（ball bearings）
· 滚柱轴承（roller bearings）
· 滚针轴承（needle bearings）

   滚动轴承的结构大致分为：内外圈、保持架与不同数量的滚动体。

典型的滚动轴承仿真目标包括：

1、结构强度：需要考虑工作状态或者过载工况下的结构强度

2、疲劳寿命：需要考虑承载工作状态工况下循环加载的产品疲劳耐久；

3、冲击与振动：需要考虑承受冲击/动态载荷；

4、磨损：轴承类产品的特殊需求。

二、针对滚动轴承的解决方案

1、基础流程-轴承的常规强度与疲劳耐久性评估

应用软件：Abaqus+fe-safe

模型中包括：
· 考虑装配工装载荷的情况，例如过盈配合或冷缩配合工艺的预制载荷
· 工作载荷在波动/循环加载的情况

主要分析结果包括：
· 结构应力分布以及高应力集中区域（hotspots）
· 内外圈滚道和滚子上的接触压力分布
· 疲劳寿命、安全系数

2、轴承模型的简化

常规的轴承三维模型，可以很好地分析模型受力、接触情况，但是建模成本、计算成本较高。

▲ 三维轴承模型

1）二维简化模型

应用软件：Abaqus

 采用二维模型对轴承刚度和强度进行快速验证，通常在初始设计阶段用于探索和评估设计方案（可考虑结合ISIGHT进行DOE分析）；二维模型中不能考虑承受弯曲或者剪切的分析工况。

2）一维简化模型

应用软件：Abaqus
一维模型包括弹簧(或阻尼器)来表示不同方向和位置的轴承刚度。

▲ 轴承包含弹簧单元模型

3、冲击与振动分析

主要评估保持架在冲击载荷或振动下的强度情况。
· 冲击分析是在时域下（瞬态、非线性）
· 振动分析是在频域下（稳态、线性）

应用软件：Abaqus

▲ 轴承冲击载荷模型

▲ 轴承保持架后处理提取结果

三、磨损分析
轴承结构的磨损分析，可以在Abaqus/Standard中使用自适应网格技术，以及用户子程序UMESHMOTION进行模拟。

   应用软件：Abaqus+用户子程序

▲ 磨损模型网格与结果

四、密封性能分析

某些轴承的密封设计必须考虑避免润滑的泄漏和外来颗粒的进入，否则对于轴承的寿命有着极大的的影响。

应用软件：Abaqus

▲ 密封性能分析结果提取（接触压力与变形）

五、轴承结构的参数优化

应用软件：Abaqus+ Isight

对于轴承新结构在工作载荷作用下多种参数进行评估与优化，可以包括：
· 性能指标（扭矩，寿命，刚度等）的调优
· 成本（结构尺寸，重量等）的优化
· 并对可靠性和稳定性进行评估

▲ 基于Isight的轴承优化流程

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