abaqus 軸承計算的案例
【選型計算】機械設計基礎計算題之球軸承的分類及選型
二、 球軸承選型
在進行球軸承選型時，首先要根據軸承受力狀況、速度能力、噪聲要求、安裝要求等選擇合適的軸承種類，同時需考慮溫度、環境的限制條件，選擇合適的軸承材料及潤滑方式（以上本文第一章已有介紹），再根據設計空間尺寸對所選的軸承型號進行壽命計算，設計流程圖如圖6。
圖6 軸承選擇流程
軸承壽命主要可以從兩個類型去考核，當疲勞失效為軸承的主要失效形式時，需校核軸承疲勞壽命，當軸承受過大的靜負荷或在極低轉速下承受沖擊負荷時，此時軸承的壽命不是取決于材料的疲勞，而需考核軸承靜態強度。需要額外考慮的是，軸承載荷是否小于最小軸承負荷。
1. 軸承疲勞壽命計算：
額定壽命：在一塊疲勞剝落前，90%的一組同樣的軸承將達到或超過的壽命。
軸承調整壽命：考慮壽命調整系數的額定壽命。
動態額定載荷：表示在該載荷作用下，一定數量的軸承的額定壽命為一百萬轉。對于向心軸承，載荷是指純徑向載荷（C）；對于推力軸承，載荷是指純軸向載荷；向心推力軸承，載荷是指產生軸承套圈相互間純徑向位移的載荷的徑向分量（C）。
動態徑向當量載荷：在一恒定的徑向載荷下，滾動軸承具有與實際載荷相同的壽命。
其中X、Y分別為徑向、軸向動載荷系數，分別為軸承實際載荷的徑向、軸向分量。X、Y值可查閱軸承公司網站的建議值。
展開 滾動軸承摩擦轉矩的計算
滾動軸承摩擦轉矩的計算
滾動軸承內部是通過滾動體在滾道內的滾動實現減小摩擦保證機械設備良好、穩定，精確運轉的零件。滾動軸承運轉的時候也會存在一定的摩擦，這些摩擦所產生的能量最終以熱量的方式散發出去，是軸承自身發熱的來源。因此，在計算軸承溫度的時候，除了考慮外界熱源的熱量傳遞，也要考慮軸承自身轉動的發熱。本文對滾動軸承摩擦轉矩的計算做一個介紹，給出簡化算法。在軸承摩擦轉矩計算完成之后，就可以計算軸承運轉過程中的熱量，從而得到軸承的計算溫度。
滾動軸承最基本的組成部分包括軸承外圈、軸承內圈、軸承滾動體和保持架。滾動軸承的滾動是在滾動體和滾道接觸表面發生的，這個滾動摩擦是滾動軸承區別于滑動軸承的最重要因素。
滾動軸承在運轉的時候，由于內部各個零部件存在相對的運動和摩擦，因此也有一定的摩擦轉矩。事實上，滾動軸承內部的摩擦不僅僅是上述的滾動體和滾道之間的滾動摩擦，還有其他的組成部分。這些組成部分共同構成滾動軸承的摩擦學模型。相對準確的滾動軸承摩擦計算就是基于這個滾動軸承摩擦學模型進行的。
關于滾動軸承的摩擦，在2003年瑞典軸承公司SKF提出了摩擦學模型，并發布在自己的軸承型錄之中。
在這個滾動軸承摩擦模型總體是這樣的：
M=Mrr+Msl+Mdrag+Mseal
在上述的模型中：
M ：滾動軸承的總摩擦轉矩。
Mrr：滾動軸承在運轉時候的滾動摩擦部分。主要是指滾動體和滾道之間的滾動摩擦。
展開 軸承d發熱的計算
注意，這是滾動軸承的特點所決定的，否則要滾動軸承干嘛？千萬別忘了滾動軸承被發明的目的就是減小摩擦，減小阻轉矩。
滾動軸承內部的滑動摩擦所占比例應該很小，否則也不能被稱為滾動軸承。同時滾動軸承攪拌潤滑的損失，與其他摩擦比也應該不是一個很大的值。這樣一來，滾動軸承運動是自身的發熱就不是發熱主體，應該是整個軸承出現溫升的一個次要因素。
使軸承出現明顯溫升的主要因素是設備自身的發熱。設備自身的發熱量在設備進行設計的時候會有一個估算，這樣的發熱傳導到軸承上，考慮到散熱等因素，通常會小于等于設備自身發熱的總值。
基于上述知識，現場在面對軸承發熱的時候，首先可以檢查設備發熱的軸承溫度分布，然后再考慮軸承自身的發熱因素。如果軸承溫度明顯高于設備溫度，就應該引起警惕，因為此時軸承的發熱成為了主要熱源，說明內部摩擦狀態已經不是正常狀態。
軸承自身的發熱的計算，是從計算軸承的摩擦開始。本公號上一篇文章介紹了軸承自身摩擦轉矩的計算方法，通常軸承自身的發熱可以通過自身摩擦轉矩進行計算，公式如下：
式中（更正：式中應為-4）：
M：軸承的總摩擦轉矩，參考上一章 滾動軸承摩擦轉矩的計算 介紹的計算方法；
n：軸承轉速。
有興趣的工程師可以根據自身設備發熱計算一下軸承發熱應該占整個設備發熱的比例。有助于定性定量的了解軸承發熱的兩級。
展開 軸承游隙的選擇與計算
注意：不適用于輕金屬或者薄壁軸承的計算。
更換材質，以及對于薄壁軸承、薄壁軸承室、空心軸等的游隙減小量計算相對復雜，此處不介紹，工程師可以咨詢軸承供應商，一般應提具相應的計算服務。
軸承潤滑脂的溫度怎么選（校核計算）？
因此真正的潤滑脂溫度選擇是要經過一定的計算。
潤滑脂的溫度選擇
通常選擇潤滑脂是為了在給定工況下能為軸承提供足夠潤滑。此時需要對“給定工況”和“滿足潤滑性能”進行校核。這就是通常的潤滑選擇校核計算。
以往曾經講過（亦可以查閱《電機軸承應用技術》、《電機軸承故障診斷與分析》、《齒輪箱軸承應用技術》，以及本公號其他文章），潤滑脂的選擇校核計算本質上是校核卡帕系數。當卡帕系數為1至4之間的時候，說明所選潤滑滿足潤滑需求。
在計算的過程中，可以注意到其中有很多的溫度影響。比如黏度變化曲線，其實是黏度對溫度的變化曲線。
這個校核計算的本質就是校核所選潤滑脂在當前溫度下，是否可以滿足卡帕系數落到1-4之間。如果答案是肯定的，那么選擇就是恰當的，否則則需要進行調整。
總結
從上面的介紹感覺溫度選擇和標稱溫度沒有直接的關系。事實上，標稱的溫度與油脂的選擇是有一定聯系的。因為油脂的滴點等性能決定了黏度曲線，而卡帕系數的計算也來自于黏度曲線。
通過本文的介紹不難發現，直接將使用溫度和油脂標稱數據進行對比的方式往往是不準確的。
問題來了，為什么油脂供應商不給一個可對比的參數呢？答案是，這不可能。因為油脂供應商不知道設備設計者選擇的工況條件。而油脂的性能是隨著工況（溫度）變化的。因此無法給出一個定值。
展開 電機軸承為什么不能達到預期計算壽命？
可見，前面說的軸承壽命計算并未對密封件，潤滑等因素進行校核，因此這個計算的壽命不等于軸承壽命。
第二、 電機在實際運行的時候，軸承所承受的負荷不一定等于計算時候的負荷。這也導致計算壽命不等于軸承壽命。另外，公式計算的僅僅是金屬次表面（表面下）疲勞壽命，因此對軸承的其他金屬失效方式也沒有顧及。
第三、 實際電機軸承的潤滑條件和試驗條件是不同的，因此軸承壽命計算的結果也和實際值不同。
當然現在最新的標準已經針對壽命計算結果的誤差進行了調整。其中主要調整的是由于潤滑和金屬材料原因的偏差。在ISO281里用系數a23進行修正。
不過，根據實踐經驗，即便用修正后的軸承壽命計算，依然無法擺脫上述原因的第1和第2點。因此，軸承壽命計算結果和軸承實際壽命在理論上就存在著差異。電機工程師應該對此心中有數。
這樣我們緊接著就面臨第二個問題，既然軸承計算壽命和軸承實際壽命存在著理論上和實際上的差異，那這個計算干嘛用的？而且這個偏差是不可避免，是不是這個理論就沒有參考價值了？
答案一定是否定的。那么軸承壽命理論的計算結果到底是干嘛用的？
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ANSYS2021R1軸承旋轉計算分析
如圖所示滾珠軸承，對滾珠軸承在正常運轉過程中位移及應力狀態分析。
Tribo-X潤滑摩擦分析案例-滑動軸承計算
Tribo-X計算軟件考慮摩擦學問題中的多種影響因素，解決傳統CAE計算困難，計算速度慢的問題，精確考慮各種特性對摩擦學結構的影響，包括混合摩擦、湍流效應、微觀粗糙表面、氣穴等。
Tribo-X可以計算潤滑系統的應變、摩擦和溫度等；是一個“數字放大鏡”，查看摩擦接觸的內部，更好的理解整個接觸過程。Tribo-X專門的后處理軟件生成2D和3D圖表，并輸出用戶所需的數據、圖片或視頻。本文以一個典型滑動軸承為例，使用Tribo-X求解器進行分析計算。該軸承使用注油孔注入潤滑油。
前處理設置
計算所使用的幾何參數和載荷參數如表1所示，表面參數及溫度參數如表2所示。Tribo-X的前處理輸入不同于常用的仿真軟件，是采用輸入文件的方式。在輸入文件的模板中，根據提示填寫參數。
表1 軸承參數
如圖所示。需要設置軸承的固定支撐面，輸入材料的楊氏模量和泊松比，用于評估軸承的彈性變形行為；輸入材料的熱傳導系數和比熱容，用于計算潤滑間隙溫度和固體表面溫度。輸入以上參數，建立有限元模型，提取柔度矩陣。
圖 滑動軸承的有限元模型
考慮摩擦學中的微觀流體動力學和出現的固體接觸和液體接觸同時存在的情況，需要定義表面粗糙度進行計算。本案例中使用解析法定義表面粗糙度，所需輸入的材料參數如下：
表2 軸承表面參數及溫度參數
計算結果展示
考慮熱彈流體動力學更能真實的反應軸承的運動特性。Tribo-X的結算結果中，可以使用3D圖表的方式，觀察分析軸承的各個場變量分布，可以通過極圖的方式更加直觀的得到計算結果。
展開 152基于matlab的GUI滾動軸承特征頻率計算 ￥9.9
基于matlab的GUI滾動軸承特征頻率計算，輸入軸承參數，包括轉速，節圓直徑、滾子直徑、滾子數、接觸角，就可得滾動特征頻率結果，程序已調通，可直接運行。
基于Tribo-X inside ANSYS滑動軸承系數計算應用
圖5
2、建立動力學計算模塊，例如模態分析模塊或者諧響應分析模塊等，添加高級選項邊界條件“Import Bearing Coefficients”進行設置，將源分析項設置指向為Hydrodynamic Bearing模塊，并將目標軸承設置為連接組中的軸承工具，運行求解“Import Bearing Coefficients”即將滑動軸承系數傳遞輸入至軸承工具中，如圖6所示。
至此完成Tribo-X滑動軸承剛度和阻尼系數的計算，完成對動力學模塊軸承工具參數的賦予。軸承單元的選擇為Combine214單元，Combine214元件在兩個垂直方向以及交叉項有剛度和/或阻尼特性，該單元具有基于轉速變化進行定義不同的剛度和阻尼特性。
圖6
三、轉子動力學分析計算簡要舉例
轉子動力學一般由旋轉軸、軸承和轉盤構成，如圖7所示。轉子動力學是對旋轉機械的研究，在整個現代工業界中起著非常重要的作用，能夠進行確定臨界速度的計算、轉子旋轉和系統穩定性預測、不平衡響應計算以及瞬態啟動和停止的計算。
在ANSYS Mechanical進行轉子動力學分析中，能夠直接利用三維CAD裝配體模型進行分析，也可以采用基于梁模型單元（3D Beam單元和Mass 21質量單元）簡化近似代替三維CAD模型進行分析。
圖7
如圖8所示是一個3質量單元與梁單元建模的轉子動力學模態分析流程，基于前面方法已經完成基于Tribo-X的滑動軸承剛度與阻尼系數的計算與數據的傳遞過程。
展開 Tribo-X|專用于軸承、齒輪等摩擦潤滑系統的摩檫學計算軟件
凸輪模塊同樣作為滾動接觸的附加模塊，進行凸輪運動狀態下的模擬計算。
凸輪接觸方式
2、滑動軸承模塊
在流動動壓潤滑的機械零件中最常見的是徑向滑動軸承。滑動軸承模塊通過定義滑動軸承幾何形狀、潤滑油屬性以及供油處幾何尺寸、供油壓力、軸的旋轉速度等，完成如油膜壓力、油膜厚度、軸承剪力、軸心位置、輸入流量等的計算。獲得滑動軸承穩態或運動狀態的重要參數。
圖 滑動軸承幾何模型
3、止推軸承模塊
流體動壓潤滑的止推軸承主要應用于重型機械設備，例如水輪機、立式風扇、泵等等。止推軸承的承載能力受到速度影響很大，為了形成充分的動壓潤滑，通常要求平均滑動速度較大，但是速度受到摩擦功率損失以及因發熱而產生的最大溫度的限制。由于工作中的彈性變形造成的間隙變化也會影響油膜厚度。這些都是設計止推軸承的重要影響因素。止推軸承模塊進行潤滑間隙的模擬計算，獲得止推軸承穩態或者運動狀態的重要參數。
止推軸承幾何模型
4、活塞/氣缸模塊
活塞是發動機汽缸體中作往復運動的機械零件，主要作用是承受氣缸中的燃燒壓力。活塞/氣缸模塊將活塞的運動定義為旋轉和滑動相結合，進行潤滑間隙的模擬計算，獲得活塞在氣缸內運動狀態的重要參數。
活塞/氣缸幾何模型
Tribo-X后處理分析
可以輸出2D及3D圖形分析結果。并且結果文件中可以獲得每個節點的計算結果。
部分可輸出結果
1、3D圖表
可以展示流體動力壓力、邊界接觸壓力、彈性變形、充油率、剪應力以及溫度等計算分析結果。生成圖片或視頻。
展開 
【機械設計】設計最基礎——軸承的分類、潤滑及其選型計算方法
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ABAQUS軸承模態分析
ABAQUS軸承模態分析
算例丨基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
如圖2所示為滾子軸承保持架橫梁XFEM模型，局部裂紋布置在保持架橫梁末端，保持架橫梁長30 mm，寬度為2 mm，材料為鋼。在建模過程中，采用ANSA建立保持架橫梁健康狀態下的有限元模型，并將其以INP文件導入ABAQUS中，在PART中建立裂紋部件，并將其組合到一起，共121249個單元。
圖2 滾子軸承保持架XFEM模型
關鍵步驟如下：
1）如圖3所示為材料定義和裂紋擴展屬性定義；
圖3 材料定義和裂紋擴展屬性定義
2）如圖4所示為求解載荷步定義；
圖4 載荷步定義
3）如圖5所示為裂紋區域及裂紋位置定義；如圖6為裂紋Interaction定義；
圖5裂紋區域及裂紋位置定義
圖6 裂紋Interaction定義
4）如圖7所示為定義載荷與約束；
圖7 定義載荷與約束
5）如圖8所示求解。
圖8 求解
三、結果與討論
如圖9所示為保持架橫梁末端裂紋的擴展趨勢圖，結果顯示，初試裂紋深度為0.45 mm，垂直于保持架橫梁表面，施加載荷為708 N。裂紋在開始擴展以后，首先向深度方面延伸，然后裂紋擴展方向發生明顯改變，如圖10所示，裂紋出現偏斜，角度約為45?，向橫梁另一面擴展。如圖11所示為裂紋狀態圖（PHILSM），表示裂紋面上，距離裂縫的等高線（值有正有負）。如12表示保持架橫梁裂紋的statuxfem開裂狀態，當=1時（紅色），表示完全開裂；當=0時（深藍色），標識完全不開裂；當0~1之間時，不同開裂程度。
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深溝球軸承靜強度分析
