滾動軸承是機械傳動中非常重要的部件，它依靠滾動體和內、外圈的滾動接觸將轉動零件支撐起來，實現(xiàn)力和運動的傳遞 ，其結構性能的好壞直接關系到整個機械系統(tǒng)可靠性和安全性的高低； 同時滾動軸承也是易損壞部件，統(tǒng)計數據顯示旋轉機械中約30％ 的機械故障是由滾動軸承的失效引起的，所以滾動軸承的剛度、接觸應力 和變形一直以來都是工程應用研究的熱點問題。

滾動軸承接觸研究的難點在于滾動體與內、外圈的接觸，載荷為零時為點接觸，受載后接觸點擴展為：一個橢圓接觸面，接觸區(qū)域的形狀、大小、接觸應力和摩擦系數在事先都是未知的，它們與外加的載荷大小有關，是復雜非線性接觸問題，采用商業(yè)有限元分析軟件 abaqus 建立了深溝球軸承的三維有限元模型，對接觸應力和變形進行了分析計算有限元計算。

模型的建立和網格劃分

將 UG 建立的幾何模型導入到 HyperMesh 中。對軸承的內外圈與滾動體進行材料參數進行定義，參數如表 1 所示。分別對軸承內外圈和滾動體進行網格劃分，內外圈截面面網格旋轉得到體網格；滾動體通過 1/8 鋼球映射網格，然后鏡像得到整個滾動體網格，然后旋轉操作得到 6 個滾動體的網格，設置軸承內外圈和滾動體單元類型為 C3D8I。

圖軸承網格

接觸設置

球軸承的接觸分析屬于高度非線性問題。由于研究目標的問題，本文使用的軸承各部件均為彈性變形體。故軸承滾動體與內外圈以及滾動體與保持架間發(fā)生的接觸為柔體與柔體的接觸。接觸類型選擇面——面接觸，其中涉及到目標面與接觸面的選擇，在 Abaqus 中，接觸面與目標面需要遵循以下規(guī)則：

（1）若接觸的兩個表面中，其中一個為凸面，另一個相對前一個表面為平面或者是凹面，則凸面為接觸面；

（2）對于網格劃分來說，網格密的為目標面，網格疏的為接觸面；

（3）基于剛度，兩個表面剛度較小的為接觸面；

（4）基于網格階次，較低的階次為接觸面；

（5）基于表面大小，接觸表面小的為接觸面。

在軸承 Abaqus 分析中，需要設置接觸屬性，滾珠與內外圈滾道的接觸，使用罰接觸類類型，其中，滾動體與內外圈的摩擦系數設置為 0.1，同時，使用硬接觸來定義保持架與軸承內外圈的接觸，本文共需要建立 16 組接觸對；如圖所示為建立接觸后的模型。

約束的設定

軸承約束及載荷情況如下：在第一個分析步中首先固定外圈的外表面。其次把滾珠中心的部分節(jié)點和滾珠中心建立剛體約束，并把剛體約束的參考點轉換到柱坐標系下，并固定其所有的自由度。最后再固定內圈側面的所有自由度，讓接觸關系平穩(wěn)地建立起來。在第二個分析中，放開剛體約束的參考點上的徑向位移，并放開內圈側面的軸向位移。并把內圈內面的一部分節(jié)點采用分布耦合的方式耦合到軸承中邊界條件以避免它們出現(xiàn)不必要的剛體位移造成求解不收斂。

有限元仿真計算結果

軸承內圈、外圈、滾動體最大接觸應力分別為 772 MPa、59.7 MPa、217 MPa，由結果可以看出，各部件的應力都是從點到面依次擴張，符合軸承受力的特點

滾動體接觸應力結果

軸承外圈接觸應力結果

軸承內圈接觸應力結果

結論

本例對滾動軸承三維模型的靜態(tài)模擬進行了分析，由于軸承是精密零部件，其中網格的大小對計算量與精度都是一種挑戰(zhàn)，還有其它方面影響，只能定量的對軸承的靜力特性進行認識。

資料來源：達索官方