文献分享 | 使用 ANSYS 进行偏置轴承建模、静态和动态分析

偏置轴承的应用常见于高功率和负载机械，如汽轮机、离心压缩机、泵和电机。设置偏置轴承的目的是提供低摩擦环境来引导和支撑旋转轴。当负载以偏离固定位置的方式施加时，偏置轴承得到广泛使用。偏置轴承用于将相对运动限制为所需运动并减少部件之间的摩擦。这些结构简单、易于制造并且成本较低。偏置轴承系统的动态分析起着至关重要的作用，它直接影响加工生产率以及产品质量。

李云松等人。[1]论文中提出轴承为转子提供径向、轴向和角刚度的支撑。前田修等人。文献[2]给出了运算时网格的效果。网格的密度越大，计算精度越高。需要经过误差和试验方法才能得到最佳的网格密度。桑亚姆·夏尔马等人。[3]讨论了偏心率和微极性参数对微极性润滑偏置轴承静态和动态特性的影响。他们进一步讨论了轴承系统性能的增强是通过在较高的偏心率和偏移值下增加负载和减少涡动来实现的，特别是在较高的微极性下。

H.吉里什等人。[4]提出了偏置载荷对多级可调轴承静态特性的理论研究。他提出垫的几何形状具有一个新颖的功能，可以从参考位置向内和向外进行径向和倾斜调整。萨罗杰·巴拉等。al [5]致力于垂直偏置非圆形轴颈轴承轮廓的模拟研究。

本文对偏置轴承进行静态分析，以获得不同材料的变形和 von-Mises 应力，同时研究网格尺寸的收敛性，并进行动态分析，以获得偏置轴承的模态形状和频率，以指定可以使用复合材料在偏置轴承中代替金属材料而不影响强度。

偏心轴承通常基于应具有高强度、可焊接性、耐磨性和耐点蚀性的材料。分析中使用的材料为结构钢、灰口铸铁、铝合金和环氧E玻璃UD。材料的性能列于下表1中。 [3]。

表 1 . 材料特性描述

3.1 . 偏置轴承的建模

偏置轴承的完整建模是使用 SOLIDWORKS 软件完成的，建模相当复杂，因为底座和轴旋转位置之间存在偏置，并且为减少轴承边缘的应力集中而给出了不同的倒角，偏置轴承的完整模型如下图1所示。图1（a）是偏置轴承的尺寸表示，图1（b）是在Solidworks中准备的模型。

图1 . (a) 偏置轴承尺寸

(b) Solidworks 中的偏置轴承模型

3.2 . 项目静态分析

偏置轴承的静态分析在Ansys工作台中进行，几何形状从Solidworks导入，通过网格类型从粗到细的变化，比较网格结果，包括各种网格度量因子、网格收敛性研究通过考虑不同的单元长度来完成，并且观察到在 1 mm 单元长度时获得了网格收敛。改变偏心轴承的材料，然后分别进行计算，得到变形结果，并进行von-mises应力和应变的比较，进行研究。方程(1)、(2)代表了计算变形的静态分析的基础。

其中，F 表示施加的力，K 表示刚度矩阵，× 表示偏置轴承中的变形。

3.3 . 项目动态分析

执行动态分析的目的是在运行时评估应用程序。特征值分析 通过求解由质量矩阵和刚度矩阵组成的特征方程来提供结构的动态特性。动态特性包括自然模态（或振型）和自然周期（或频率）。等式(3)、(4)表示固有频率计算的基础。

3.4 . 施加约束

进行固定分析，将切向力施加在朝外偏移量为 5000 N 的圆孔上，并将基板上的四个孔固定。所施加的约束如图2所示。

图2 . 应用约束

列出了各种材料的偏心轴承的静态分析和模态分析结果，并比较了由于网格从粗到细的变化而产生的差异。

4.1 . 网格指标因素比较

完成两种类型的网格，即粗网格和细网格，并且以表2的表格形式比较诸如长宽比、雅可比比、单元质量和偏斜度等网格度量因子的最大值、最小值和平均值。图3表示偏置轴承的网格类型，即细网格和粗网格。

表 2 . 网格变化的网格度量因子的比较

图3 . (a) 粗网格表示

(b) 单元长度为 1 mm 的细网格表示

4.2 . 偏置轴承静力分析

在 Ansys Workbench 中对变形图和应力图进行静态分析。图4、图5、图6和图7所示的结果是粗网格的结果，而图8、图9、图10和图11所示的结果是四种不同的细网格的结果材料。

图4（a）表示粗网格结构钢的变形图，图4（b）表示结构钢的von-mises应力图，该图显示了不同的变形区域和应力集中，并预测了该区域最大应力将作用于偏置轴承。图 5 (a) 表示粗网格灰口铸铁的变形图，图 5 (b) 表示灰口铸铁的 von-mises 应力图。图 6 (a) 为粗网格铝合金的变形图，图 6 (b) 为铝合金的 von-mises 应力图，与图 7类似(a) 表示偏置轴承中具有粗网格的环氧 E 玻璃 UD 的变形图，图 7 (b) 表示环氧 E 玻璃 UD 的 von-mises 应力图。

4.2.1 . 粗网格结构钢

图4 . (a) 粗网格结构钢的总变形图

(b) 粗网格结构钢的 Von-mises 应力图

4.2.2 . 粗网灰口铸铁

图5. (a) 粗网格灰铸铁的总变形图

(b) 粗网格灰铸铁的 Von-mises 应力图

图6 . (a)粗网格铝合金的总变形图

(b) 粗网格铝合金的 Von-mises 应力图

图7 . (a) 具有粗网格的环氧 E 玻璃 UD 的总变形图

(b) 具有粗网格的环氧 E 玻璃 UD 的 Von-mises 应力图

图8 . (a) 具有细网格的结构钢的总变形图

(b) 具有细网格的结构钢的 Von-mises 应力图

4.2.4 . 粗网环氧E玻璃UD

图8（a）表示细网格结构钢的变形图，图8（b）表示细网格结构钢的von-mises应力图，该图显示了不同的变形区域和应力集中，并且还预测最大应力作用在偏置轴承中的区域，并预测比粗网格更准确的结果。

4.2.5 . 细网格结构钢

图9（a）表示细网格灰铸铁的变形图，图9（b）表示细网格灰铸铁的von-mises应力图。图 10 (a) 表示具有细网格的铝合金的变形图，图 10 (b) 表示铝合金的 von-mises 应力图，类似地，图 11 (a) 表示具有细网格的环氧树脂 E 玻璃 UD 的变形图。图 11 (b) 表示具有细网格的环氧 E 玻璃 UD 的 von-mises 应力图。

4.2.6 . 灰铸铁细网

图9 . (a) 具有细网格的灰铸铁的总变形图

(b) 具有细网格的灰铸铁的 Von-mises 应力图

4.2.7 . 铝合金细网

图10. (a)细网格铝合金的总变形图

(b) 细网格铝合金的 Von-mises 应力图

图11. (a) 具有细网格的环氧 E 玻璃 UD 的总变形图

(b) 具有细网格的环氧 E 玻璃 UD 的 Von-mises 应力图

4.2.8 . 细目环氧E玻璃UD

分析表明，细网格的值更准确，我们可以更准确地预测较高应力的位置，因为对于细网格，偏置轴承被划分为更多数量的单元，因此我们可以轻松预测受到影响的区域。力更高。

计算了应力和变形的结果，并在表 3 和表 4中以表格形式对不同材料（非复合材料）进行了比较，并代表了复合材料的数据。

表 3 . 不同材料（非复合材料）静态分析结果对照表

表 4 . 复合材料静态分析结果对照表

4.3 . 偏心轴承模态分析

进行模态分析，图 12、图 13、图 14和图 15中表示了不同材料的前两个振型，并且以表格形式列出了所有提到的材料的前 10 个固有频率。模态分析所采用的约束是为偏心轴承基板上的孔提供固定支撑以进行分析。

12. (a) 粗网格结构钢的第一振型

(b) 细网格结构钢的第一振型

4.3.1 . 用于结构钢

下面列出了偏置轴承模态分析中使用的结构钢材料的前十个固有频率表，其网格从粗网格到细网格的变化见表 5。（参见表 6、表7 、表8）。

表 5 . 结构钢的固有频率

表 6 . 灰铸铁的固有频率

表 7 . 铝合金的固有频率

表 8 . 环氧 E 玻璃 UD 的固有频率

4.3.2 . 用于灰口铸铁

图13. (a) 粗网格灰铸铁的第一振型

(b) 细网格灰铸铁的第一振型

4.3.3 . 用于铝合金

图14. (a) 粗网格铝合金的第一模态振型

(b) 细网格铝合金的第一模态振型

图15 . (a) 具有粗网格的环氧 E 玻璃 UD 的第一模态形状

(b) 具有细网格的环氧 E 玻璃 UD 的第一模态形状

4.3.4 . 用于环氧E玻璃UD

绘制的图表显示了具有两种类型或网格（即粗网格和细网格）的不同材料的固有频率与模数的比较结果，并且该图表在下面的图16中表示。其中图16a是与粗网格的比较结果，图16b是与细网格的比较结果，以检查不同材料的固有频率的变化以及网格的效果。

图16 . (a) 粗网格的固有频率与模态数的比较图 (b) 细网格的比较图

采用有限元法对偏心轴承进行静、动态分析，得出以下结论。

•复合材料的 von-Mises 应力变化与结构钢、灰口铸铁、铝合金相似。因此，根据这些分析的结果，我们可以得出结论，复合偏置轴承中产生的应力在允许限度内[12]，并且与金属材料偏置轴承几乎相同。

•复合偏置轴承比金属偏置轴承承受更大的变形。环氧E玻璃UD作为一种高强度、轻重量的结构材料，具有优越的机械性能，甚至应力变化都在允许的范围内，已被广泛接受；因此，复合材料可以代替金属偏置轴承用于偏置轴承。

•采用目视法进行网格收敛研究，发现网格在单元边长为1mm处收敛。考虑的因素是结果的准确性和分析所需的时间。

•从粗网格到细网格的变形变化远小于 von-Mises 应力的变化，因为根据有限元分析理论，应力的预测不如变形准确。网格应力值的变化是由偏心轴承边缘处的应力集中引起的。随着网格类型从粗网格变为细网格，我们可以更好地了解轴承中应力集中最高的区域。

•根据模态分析，细网格结构钢的前10个固有频率为1881.9 Hz至16062 Hz，灰铸铁的前10个固有频率为1457.8 Hz至12475 Hz，铝合金的前10个固有频率为1887 Hz至16042 Hz Hz，环氧 E 玻璃 UD 的固有频率范围为 887.01 Hz 至 7936.3 Hz。此外，在模态分析中网格的影响可以忽略不计，因为固有频率的值几乎相同。

原始文献：

Kajal Chourasia, Sharnappa Joladarashi,

Modelling, static and dynamic analysis of offset bearing using ANSYS,

Materials Today: Proceedings,

Volume 66, Part 4,

2022,

Pages 2124-2132,

ISSN 2214-7853,

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.05.560.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785322038901)