2017年第3期
Design and Research设计与研究
滚动轴承有限元动力学模拟中的刚体简化问题研究
祝晋旋王家序②周青华の杨勇龙见炳周博①
（①四川大学空天科学与工程学院，四川成都610065；②重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400044；
③贵州群建精密机械有限公司技术部，贵州遵义563003）
摘要：以NF209圆柱滚子轴承为对象，建立轴承的有限元动力学分析模型，研究不同刚体简化方法对模
型计算精度及计算时间的影响规律。研究结果表明：将滚柱简化为刚体对有限元模型的计算精度有较大影响；将内圈、外圈以及保持架分别简化为刚体对模型的计算精度影响并不是很大；将滚柱简化为刚体对于减少有限元模型的计算时间效果最好，保持架及外圈效果次之，内圈效果最差。研究结论可以为选用有限元轴承模型的简化方案提供参考。
关键词：滚动轴承；有限元分析；刚体简化；计算时间
中图分类号：TH133.33
文献标识码：B
DOI:10.19287/j.cnki.10052402.2017.03.015
Rigidbody simplification in finite elementdynamic simulationof rollingbearing ZHU Jinxuan,WANG Jiaxu,ZHOU Qinghua,YANGYong,LONG Jianbing,ZHOUBo
(①School of Aeronautics and Astronautics,Sichuan University,Chengdu610065,CHN;
②State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, CHN; ③Technology Department,Guizhou Ounjian Precision Machinery Co.,Lid.,Zunyi 563003,CHN)
Abstract: The finite element dynamic analysis model of NF209 cylindrical roller bearing was established.Further,
the influence of different simplification methods on calculation accuracy and calculation time was stud-ied. The results show that modeling the rollers as rigid bodies has a great impact on calculation precision while setting the inner ring, outer ring or cage as a rigid body has less influence on the calculation preci-sion. Computation time has the greatest reduction if rollers are treated as rigid bodies, followed by the cage, outer ring and inner ring. The research results can provide a reference for the simplification of the finite element models of bearings.
Keywords:rolling bearing; finite element analysis; rigid body simplification; computing time
滚动轴承是影响旋转机械系统性能最为关键的零件，其运行性能的优劣直接影响着旋转机械的工作水平(1-2]。机床作为典型旋转机械，滚动轴承的运行性能将直接影响机床的加工精度。早期的研究表明，在滚动轴承发展的各个时期，即使轴承润滑良好，安装正确，防尘防潮严密，运转正常，它们最终也会因为滚动接触表面的疲劳而失效。滚动轴承组件间的接触特性的研究是国内外研究学者关注的热点[3-5]。
随着现代计算机科学的飞速发展，有限元作为可以分析复杂工程问题的优秀工具，正日益被越来越多的研究者们用于轴承接触特性的研究。早期的有限元研究多基于静力学，研究轴承在静态时的接触特性，如
田波[6]等对PTFE-Si,N,轴承进行了静态接触分析。然而轴承在工作时的状态是动态的，仅对轴承进行静态分析存在很多不足，对轴承进行动态分析十分必要。然而有限元动力学计算往往需要耗费大量的CPU计算时间，因此，在工程计算中通常会将轴承的某些部件简化为刚体来减少模型计算量。如林腾蚊等[7]在研究深沟球轴承运转过程中的动态特性时，将内、外圈及保持架设为刚体，有效地提升了模型计算效率。对轴承进行刚体简化虽然能减少模型的计算时间，但也会对有限元的分析结果产生一定的影响。因此，开展轴承模型简化方式影响模型分析结果研究十分必要。
机床上通常采用角接触球轴承和圆柱滚子轴承，
*国家自然科学基金（51405316，51435001）；航空科学基金（20150219001）
制造技术点机康万方数据
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