基于SolidWorks的深沟球轴承的三维建模与仿真分析

张小波，秦天峰，潘　振

(1.贵州虹山虹飞轴承有限责任公司，贵州安顺561000；2.陕西省延长油田股份有限公司，陕西延安761000；3.贵州大学，贵州贵阳550000)



基于SolidWorks的深沟球轴承的三维建模与仿真分析

张小波1，秦天峰2，潘振3

(1.贵州虹山虹飞轴承有限责任公司，贵州安顺561000；2.陕西省延长油田股份有限公司，陕西延安761000；3.贵州大学，贵州贵阳550000)

针对具体实例，利用SolidWorks三维设计软件，结合Toolbox插件，导出型号为6003的深沟球轴承三维模型。利用Simulation插件对深沟球轴承进行应力应变仿真分析以及疲劳分析，并与实际情况进行比较，验证仿真分析的正确性。

深沟球轴承仿真SolidWorks三维建模

0　引言

滚动轴承是现代机械中广泛应用的部件之一，它由内圈、外圈、保持架和滚动体四部分组成，依靠主要元件间的滚动接触来支承转动[1]。但是轴承的设计计算极其复杂，采用传统的方法进行设计计算速度慢、效率低，已经不能满足现代轴承设计发展的需求[2]。随着计算机技术的进步与发展，三维设计软件在机械设计中的应用越来越广泛，SolidWorks软件是基于Windows开发的三维CAD系统，有强大的三维建模、运动仿真以及应力分析的能力[3]。本文针对一工程实例，利用SolidWorks进行滚动轴承三维建模，并插入Simulation插件对建立的三维模型进行应力应变仿真分析，然后将仿真值与理论计算值进行对比分析。

1　深沟球轴承三维建模

已知电机上某轴的支承根据工作条件决定选用型号为6003的深沟球轴承，详细参数见表1。轴承径向载荷Fr=720 N，轴向载荷Fa=210 N，轴承转速n为1 250 r/min，工作温度70℃并选择油润滑，要求连续工作2年(设每年按300个工作日计),8小时制，工作情况平稳，转向不变。

表1 轴承6003参数

图1　深沟球轴承建模

运行SolidWorks软件后，点击“工具”菜单，在“插件”选项中勾选Toolbox插件，然后直接在插入的设计库中导出型号为6003的深沟球轴承标准件(图1)。设计库是SolidWorks的一大优势，其中包含很多标准件，比如：轴承、齿轮、键、螺栓螺母等[4]，这为工程实际中的设计仿真带来了极大的方便，提高了设计效率[5]。

2　滚动轴承当量动载荷计算

滚动轴承在工作的过程中，同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa的作用，在进行轴承设计计算时，必须把实际载荷转换为与确定的基本额定动载荷的载荷条件一致的当量动载荷P。

求当量动载荷P

P=fp×(X×Fr+Y×Fa)

=821.436N

验算6003轴承的寿命

=6 306.05h

轴承6003额定寿命为6 306.05 h，可以满足连续工作2年(每年按300个工作日计),8小时制。

3　仿真分析

深沟球轴承的三维实体模型建成以后，就可以使用Simulation插件对轴承进行应力应变仿真分析和疲劳分析，过程如下。

(1)创建新算例

运行SolidWorks软件，在“工具”菜单中插入“Simulation”插件，点击Simulation界面中“算例顾问”选择创建新“算例1”，选择静态分析类型。

(2)指派材料

轴承的屈服强度取决于所应用的材料，材料选用高碳铬轴承钢GCr15，可以满足绝大多数机械和机电产品的使用，而在SolidWorks材料库中发现没有GCr15轴承钢，这就需要我们重新加载材料库，下载一个比较全面的格式为“.sldmat”的材料库，然后打开SolidWorks的“工具”，点击“选项”，弹出系统应用对话框，点击“文件位置”，通过下拉菜单找到“材质数据库”，添加下载好的材料库。

在“应用材料”对话框中，找到添加的材料库，选择“GCr15”，屈服强度为518.42 MPa。

(3)约束条件

在“添加夹具”菜单中选择“固定几何体”，选择轴承的外圈为约束面。

(4)添加载荷

深沟球轴承中钢球和套圈的受力接触实际为点接触，轴承工作时，外圈固定、内圈转动。对于固定套圈，处在承载区的各接触点，按其所在位置的不同，将受到不同的载荷。对于每一个具体的点，每当一个滚动体滚过时，便承受一次大小不变的载荷，也就是受稳定脉冲循环载荷作用，载荷频率取决于内圈的转动速度。就滚动体上的某一点而言，它的载荷及应力是周期性地不稳定的变化。

图2　轴承装夹、载荷、划分网格

添加径向载荷：在“外部载荷”菜单选“轴承载荷”，作用区域选轴承内圈的内圆柱面，坐标系选“坐标系1”，载荷值输入821.436 N，选正弦分布(图2)。

(5)划分网格

有限元分析精度的关键在于划分网格的密度，网格越小，离散误差越低。在“运行”的下拉菜单中选择“划分网格”，此算例采用四面体网格(图2)，单元总数9 620个。

(6)运行模拟和显示结果

点击“运行”，系统会自动运算分析，运算完毕以后，系统会显示轴承的应力、应变图解信息，如图3所示。

(7)疲劳分析

图3　应力应变仿真结果

点击“算例顾问”选择创建新“算例2”，选择疲劳分析类型，添加“算例1”为新事件，点击“应用/编辑疲劳数据”添加材料的“疲劳SN曲线”，点击“运行”，系统自动显示仿真分析结果(图4)。

图4　轴承疲劳分析结果

4　仿真结果分析

由文献[7、8]知，滚动轴承的正常失效形式为内外圈滚道或滚动体上的点蚀破坏，并且70%以上的滚动轴承是滚动体先出现早期的疲劳破坏。从图3应力应变图解中可以看出滚动轴承径向载荷Fr的作用线上滚动体以及内外套圈沟道所受的应力最大，大约为22.55 MPa。最大应变也是发生在径向载荷Fr作用线上的滚动体以及内外套圈沟道上，为7.481e-005。从仿真结果来分析，深沟球轴承在工作过程中，最大应力应变都是首先发生在径向载荷Fr作用线上的滚动体和内外套圈的沟道上，所以滚动体以及内外圈沟道最容易发生点蚀破坏，与实际情况相符合，说明仿真结果基本符合工程实际。

从图4中可以看出，经过“算例1”的事件以后，深沟球轴承径向载荷Fr作用线上的滚动体损坏百分比为0.1%，而从图4(b)中可以看出，轴承颜色基本维持在深蓝色没有变化，这说明当量载荷远远小于轴承钢GCr15的疲劳极限，认为深沟球轴承经过无限次应力循环都不会发生破坏。疲劳分析的结果也说明深沟球轴承在工作过程中首先发生破坏的是滚动体和内外圈沟道，符合工程实际。

[1]欧阳华兵,林峰,汪建平.基于SolidWorks软件的滚动轴承CAD及三维图形建模[J].轻工机械,2007,25(6):45-47.

[2]蔡登峰,曾德惠,刘江坤,潘振.基于Simulation的直齿圆柱齿轮齿根应力分析[J].煤矿机械,2013,34(3):267-269.

[3]罗继伟.滚动轴承受力分析及其进展[J].轴承,2001(9)：28-31.

[4]陈云.基于SolidWorks的轧辊轴承座有限元分析[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2013,29(2):28-30.

[5]刘玉琦,余荣镇,叶碧泉,等.轴承弹性接触受力分析[J].轴承,1981(1)：5-10.

[6]闻邦椿.机械设计手册：第5版[M].北京：机械工业出版社,2010.

[7]仝楠,王东峰,雷蓓蓓.SolidWorks软件在轴承工业中的应用[J].哈尔滨轴承,2011,32(3):46-48.

[8]闫众,黄鸣鸣.利用SolidWorks软件优化轴承产品设计[J].哈尔滨轴承,2012,33(1):57-58.

3D modeling and simulation analysis of deep groove ball bearings based on SolidWorks

ZHANG Xiaobo, QIN Tianfeng, PAN Zhen

In this study, we built up the 3D model of the 6003 deep groove ball bearing using 3D design software SolidWorks and the Toolbox plug-in. Then, with the Simulation plug-in, we carried out the stress simulation analysis and the fatigue analysis, and compared the results with the actual situation to verify the simulation.

deep groove ball bearing，simulation，SolidWorks，3D modeling

TP391.9

A

1002-6886(2016)04-0043-03

张小波(1987-)，男，贵州三都人，主要从事机械设计制造方面工作。

2016-04-14