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材料非线性对轴承有限元分析的影响

发布于:2016-02-03 18:41
有限元分析

      当前有限元分析已逐渐广泛应用于工程设计和分析中,对于混合陶瓷球轴承设计分析也是如此。轴承工作实质上是接触问题,对于混合陶瓷球轴承来说,轴承球与内外套圈主要是点接触,接触区域小,接触应力大,内外套圈在接触区内要发生塑性变形,产生剩余应力。这属于材料的非线性问题,应先根据材料拉伸试验数据拟合得到该材料的非线性性能参数,再以此为基础,研究材料非线性性能对有限元分析的最终影响,通过与试验验证结果和赫兹接触理论结果的比较,对设计或工程的有限元接触分析中材料非线性行为的影响做出评估。
      以轴承中的重要材料轴承钢GCr15为研究对象,研究材料非线性在有限元分析中的应用和影响。由于钢制材料性能与材料本身的热处理等有很大的关系,因而具有不确定性。为了获得轴承分析中真实的材料参数,做了经淬火热处理的同一批GCr15的材料的拉伸试验。最终得到的拉伸试验应力-应变曲线,相关拉伸试验数据见表。
      GCr15没有明显的屈服阶段,Rσ点是产生0.2%塑性应变对应的点,即定义为条件屈服点,试件序号1 2 3平均值中Rσ0.2为条件屈服点对应的应力,εσ0.2为条件屈服点对应的应变。从拉伸曲线图可以看到,在拉伸的初始阶段,应力与应变成线性关系,根据胡克定律:σ=Eε(1)取BN段上任一点,可得:
      式中:σ,ε—应力和应变;
      E—弹性模量;
      F—拉力;
      A—初始截面积。
      由试验数据计算得GCr15的弹性模量为1.99×105MPa。
为了重点研究材料非线性行为对有限元分析结果的影响,将轴承接触问题适当简化,使用研究了两种接触模型。
      (1)平板-球接触模型,即两块轴承钢板(代表轴承的内外套圈面)在外载荷作用下与轴承球接触。钢板:直径D=90 mm,厚度h=10 mm。滚动体:直径D=9.6 mm,球数2,球心距钢板中心距离e=35 mm,钢球均布。
      (2)滚道-球接触模型,即使用一个推力球轴承内滚道,来替代平板-球模型中的下钢板,其余部分不变,实体模型见图。
      其中滚道内径60 mm,外径90 mm,厚度5.6 mm,沟曲率半径5.1 mm。
      上述模型均是通过对平板施加外载实现球体与平板(或滚道)的接触,来近似替代实际中轴承内部的接触状况。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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