基于Ansys LS-DYNA的推力球轴承早期故障状态研究

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滚动轴承是支承旋转轴的关键部件，它具有装配方便、效率高、易润滑等优点，它的运行状态往往直接影响到整台机器的精度、可靠性及寿命等。推力球轴承是一种广泛使用的滚动轴承，其往往出现在重要设备的关键部位，研究其早期故障状态特征，对于开展故障诊断，甚至回避重大事故提供了理论支撑。以推力球轴承51206为例，在综合考虑轴承工作时的边界条件、摩擦润滑、零件接触等情况基础上，在 ANSYS/LS-Dyna环境中建立并求解有限元模型。通过与正常轴承求解结果的对比研究故障特征。

显式动力学基本控制方程

通常，显式动力控制方程为：

有限元模型设置

本案例选用推力球轴承51206进行分析计算，该轴承各部结构尺寸如表1所示。

表1 推力球轴承51206基本机构尺寸

轴承模型的简化与建立：

为简化有限元模型以利与计算，案例给出简化原则：

a) 忽略轴承倒角、圆角等细小特征

在轴承实际运转过程中，该类细小特征的局部应力应变位移等均不大，且对整体结果影响也很小。

b) 忽略润滑油紊流对力学性能的影响

轴承运转过程中润滑油的紊流作用并不强，故忽略润滑剂对轴承动力学性能的影响。

c) 不考虑材料塑性变形

工况中，轴承材料的塑性变形微乎其微，故不考虑材料非线性。

故障特征、材料、网格及边界条件的设定

滚动轴承早期故障以点蚀故障为主。案例在轴承51206座圈滚道中心处设置直径1mm的点蚀凹坑以模拟故障特征。该类轴承各零件材料为GCr15，密度7830kg/m3、弹性模量2.06e11Pa、泊松比0.3且各向同性。

在考虑轴承的运转、加载、接触、边界条件等基础上，案例使用SOLID164单元划分实体，使用SHELL163单元划分载荷面，为避免求解过程中可能产生的沙漏现象，对壳单元选择全积分算法求解。

在划分方法上，根据实体模型的不同，采用自由网格划分与扫略网格划分方法。因轴圈、座圈形状规则，采用扫略网格划分；滚动体则采用自由网格划分；因故障轴承滚动体凹坑的存在，细化凹坑周围的网格以提高解算精度。

推力轴承在运转过程，座圈与机架接触面固定，轴圈转动，载荷施加在轴圈外表面与轴肩的接触面上。因此，在实体模型设置上将轴圈加载面、座圈固定面与外表面分离。使用SHELL163壳单元划分表面网格，约束固定面上节点的所有自由度，仅保留载荷面上加载方向的自由度。

接触及载荷设定

轴承51206运转过程中主要存在2对接触，分别是座圈滚道与滚动体接触，轴圈滚道与滚动体接触。该两种接触的静摩擦系数为0.35，动摩擦系数为0.16。在 ANSYS/LS-DYNA中设置轴承各部为part，设定2组接触对接触类型为自动面面接触。

综合轴承运转实际工况，依据国家标准，设定轴圈载荷28KPa加载于轴圈载荷面，同时轴圈转速1797r/min。

轴承实体与有限元模型

解算设定

计算轴承运转基频：

后处理及分析对比

为方便后处理，选用LS-PERPOST作为后处理软件。

对比正常与故障轴承的座圈、滚动体，轴圈应力云图，可得如下结论：

1）无论正常、故障状态，轴承座圈、轴圈以及滚动体上的应力集中主要分布在零件的结合部上；

2）正常与故障状态轴承，在零件接触应力集中区域大小无明显差异。

正常与故障轴承等效应力云图对比

分别选取正常和故障轴承8564号、7396号单元节点绘制其轴向位移与等效应力曲线，该两节点分别位于正常与故障轴承滚道与滚动体的接触位置处。

正常与故障轴承关键节点位移、等效应力曲线对比

对比两节点位移、等效应力曲线，可以得出如下结论： 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 时间 t/s (d) 故障轴承滚动体节点等效应力

1）由于故障凹坑的存在，正常轴承节点位移的幅值大于故障轴承； 0.05

2）正常轴承节点位移为较为规则的谐波，其成分简单，故障轴承节点位移无明显规律，其成分相对复杂；

3）正常轴承节点等效应力峰值的出现存在明显的周期，故障轴承节点等效应力峰值也存在周期规律，该周期与正常轴承相同；

4）正常轴承等效应力曲线各峰值大小差异较小，故障轴承由于故障凹坑的存在，其等效应力曲线存在一次明显的大峰值表示冲击；

5）故障轴承节点应力峰值大于正常轴承。

结束语

案例在ANSYS/LS-DYNA显式动力分析环境中，选择推力球轴承51206为对象，通过设置点蚀凹坑模拟早期故障，充分对比分析了正常与故障轴承在应力云图，接触节点位移、等效应力曲线，总结出异同结论。

证明了ANSYS/LS-DYNA显式动力分析对推力球轴承早期故障模拟是可行的。

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来源：机电君

LS-DYNA 显式动力学非线性理论材料控制 ANSYS 装配

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首次发布时间：2025-07-17

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