第一十零章 装配体有限元分析

    滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件的。

    真实的轴承模型较复杂，在实际应用中，通常建立简化的轴承模型，即刚性连接、柔性连接和MPC算法。

10.5.1  刚性连接

    图10-13所示为轴承连接简化模型-CERIG。一组CERIG连接孔的中心（MASS21单元）与孔内节点，耦合所有自由度；另一个CERIG连接MASS21与梁单元的端点（主、从节点的选择并不重要），且放开ROTZ自由度（见图10-14，不勾选dof6）。

图10-13  轴承连接简化模型-CERIG

    注意：刚性连接（CERIG）基于小变形理论，用于大变形分析时应谨慎。由于形成刚性区域可能引起局部应力集中，应小心使用。

图10-14  刚性连接-放开ROTZ自由度

10.5.2  柔性连接

    柔性连接（RBE3）较简单，只需一组RBE3，如图10-15所示。对于轴承连接，需要注意的是必须放开主节点（梁单元的端点）一个转动自由度。例如，对于图10-15所示的轴承连接，需放开ROTZ自由度（见图10-16，不勾选rotz）。

图10-15  轴承连接简化模型-RBE3

图10-16  刚性连接-放开ROTZ自由度

    注意：柔性连接（RBE3）基于小变形理论，用于大变形分析时应谨慎。

10.5.3  MPC算法

    相对于刚性连接和柔性连接，MPC算法较复杂。需定义一个目标单元PILOT （位于梁的端点）和一组接触单元CONTA173/CONTA174（覆盖于实体单元表面），并设置相应的单元选项和实常数，如图10-17所示。

图10-17  轴承连接简化模型-MPC算法

    （1）单元选项

    对于目标单元TARGE170，推荐采用如下设置：

    K2=1 (Specified by user)

    对于force-distributed constraint MPC算法，K4用于控制PILOT点的自由度。对于图10-17所示的轴承连接，应设置K4=011111，表示放开ROTZ自由度，选中ROTY、ROTX、UZ、UY、UX自由度，如图10-18所示。

图10-18  设置TARGE170单元选项

    对于接触单元CONTA173/CONTA174，推荐采用如下设置：

    K2=2 (Multipoint constraint (MPC))

    K4=1 (force-distributed constraint)

    K5=1 (Close gap with auto CNOF)

    K9=1 (Exclude both initial geometrical penetration or gap and offset)

    K11=1 (Include)

    K12=5 (Bonded (always))

    （2）实常数

    一般地，保持所有默认值可满足工程需要。

    注意：对于图10-17所示的轴承连接，MPC算法应使用force-distributed constraint，不能使用rigid surface constraint。

10.5.4  轴承连接算法对比

    第10.5.1~10.5.3小节的轴承连接模型可模拟轴承转动，适用于装配体分析。实际上，在分析结构承受轴承力的静态响应时（不考虑轴承的转动），也可采用表10-1中的轴承力加载方法。

表10-1  轴承连接算法的对比

    通常认为轴承本身刚度较大，因此，刚性接触算法最接近实际情况（见图10-19）。将其余算法与刚性接触算法对比，可知：

图10-19  结构应力云图-刚性接触施加轴承力

    1）RBE3算法与MPC算法（force-distributed constraint）非常接近，但它们都是柔性连接，使轴承加载面变形较大，如图10-20和图10.21所示。

图10-20  结构应力云图-RBE3施加轴承力

图10-21  结构应力云图-MPC算法施加轴承力

    2）CERIG算法控制轴承加载面为刚性面，使轴承加载面变形偏小，如图10-22所示。

图10-22  结构应力云图-CERIG施加轴承力

    3）每种轴承连接模型均是简化模型，应根据实际情况合理选择轴承连接模型。