基于有限元仿真技术的汽车轴承设计现状研究

摘  要：当前我国经济社会在不断地发展和进步，人们对设计技术也越来越重视，而且受到科学技术水平以及信息技术水平不断地优化和完善的影响，当前在设计领域也创新了各式各样的设计方法，比如说有限元设计、创新设计、概念设计。智能化设计、计算机辅助设计等等。在汽车轴承设计中也不断的应用多元化的技术，本文基于此对基于有限元仿真技术的汽车轴承设计现状进行探究分析。

关键词：有限元仿真技术;汽车轴承;设计现状

引言：对于生产运营来说，其中入门工序就是设计，而其设计水平以及设计效果直接影响后续的生产运营，同时也会对产品的评价造成一定的影响，进而影响企业的企业形象以及经济效益。一般来说汽车轴承设计可以分为产品规划、方案设计、技术设计、施工设计四个阶段，因此在对汽车轴承进行设计的过程中，一般需要完成两个方面的工作，一个是理论计算，另外一个是从无到有设计一部机器。

一、有限元仿真技术（ANSYS有限元分析软件）在汽车轴承设计中应用现状

（一）结构静力与动力分析

ANSYS有限元分析软件是1970年创建，由于其创建时间较长，因此随着不断的完善和优化，其特点和功能相对来说较为齐全，也在各领域内进行推广和应用。ANSYS有限元分析软件在应用的过程中，其中静力分析主要为非线性，比如说蠕变、塑性、膨胀、大变形、大应变以及接触面等。而这种非线性分析在进行工作的过程中一般是需要依靠加载荷完成。在ANSYS有限元分析软件之中，可以将结构屈曲分析分为两类，一个是线性（特征值）屈曲，另一个是非线性屈曲。而且ANSYS有限元分析软件在运行的过程中可以解决动力分析的问题，比如说模态、瞬态动力、谐波响应、响应谱以及随机震动[1]。

（二）结构非线性分析

在对动态以及瞬态进行分析的过程中，ANSYS有限元分析软件运行可以考虑多元化的非线性影响，比如说材料、集合以及单元非线性。

1.材料非线性分析：它可以对各种非线性材料特性进行一定的模拟。以非线性应力为基础，对关系特征的塑性、多线性、弹性和超弹性进行应变，同时也可以对运行过程中的其他多种因素进行应变，比如说与时间、温度、电子流水平等因素相关的粘塑性、蠕变、膨胀和粘弹性。对于非线性材料特性需要使用的解决方法一般会选择Newton Raphson方法。

2.几何非线性分析：它可以帮助解决现存的几何非线性问题：大应变、大变形、应力硬化和旋转软化。对于现存的高度非线性的结构问题，可以应用ANSYS和LS-DYNA的集成，相比较而言而这种方法对于解决某类问题时，其效果比ANSYS中原来的隐式非线性解更强，主要是由于该解决方式不构成刚度矩阵，因此也更加适用于求解大接触变形和材料非线性问题。ANSYS/ls-dy-na可以模拟材料成形、锻造、冲压等工业过程，也可以模拟汽车碰撞和物体坠落的过程。材料模型包括弹性、弹塑性、塑料、合成橡胶、玻璃和泡沫模型。

（三）热分析

ANSYS有限元分析软件在对热传递进行处理的过程中，可以主要分为三大类：传导、对流（自由和强迫）以及辐射。而根据这三类可以将热传递处理的过程中使用稳态和瞬态、线性或者是非线性进行热分析工作。

1.稳态分析：在这一过程中可以施加的荷载类型主要包括对流表面、热流密度、热流率、热生成率以及给定温度。可以将分析分为两个类型。一种是线性分析，另外一种是非线性分析。

2.瞬态分析：瞬态分析一般可以分为线性分析或者是非线性分析。瞬态热分析一般是指可定义的载荷类型与稳态情况相同。

3.相变分析：它是瞬态热分析的特例，解决了传热过程中材料的凝固和溶解问题。在分析状态变化（相变）时，必须考虑相变过程中释放或吸收的能量（潜热），这可以通过在ANSYS中将材料的热函数定义为温度的函数来实现。

（四）电场分析以及压电分析

电场分析函数用于研究电流传导的静电分析。感兴趣的量是电流密度、电场强度、电压分布、电通量密度、传导产生的焦耳热、储能和电容。压电分析能力用于分析三维结构对交流、直流或任何随时间变化的电气或机械负载的响应。

（五）ANSYA的材料

ANSYS程序可以定义不随温度变化的各向同性材料，以及各向异性材料和随温度变化的材料。为了便于输入，ANSYS建立了一个包含钢、铝和铜等10种材料的材料库。只要用户选择材料模型，就可以自动定义结构分析或热分析所需的材料数据。借助于特殊的多层壳体和实体单元，可以建立复合材料模型。这些元素允许各向同性或正交各向异性材料的叠加，层厚度和材料可以改变。

二、有限元仿真技术（MARC有限元分析软件）在汽车轴承设计中应用现状

Marc是Marc公司的产品，其主要特点是非线性有限元分析。它的创始人是布朗大学力学系教授佩德罗·马塞尔。Marc软件可以解决多种现场问题，这其中主要包括各种结构的位移场和应力场分析、非结构温度场分析、流场分析、电场、磁场和声场分析;同时也针对各个领域的耦合分析，包括热力耦合、土壤渗流耦合、滑动轴承结构耦合、扩散应力耦合、流热耦合、流热固耦合、电磁场耦合、电热耦合、电热结构耦合、声结构耦合等分析功能[2]。

（一）热传导分析

Marc具有一维、二维和三维稳态以及瞬态热传导分析能力。它可以对各向同性、各向异性或正交各向异性的热物理参数进行准确的表述，处理比热和导热系数随温度或其他变量变化的材料的非线性和高度非线性相变潜热。而其较为突出的一点是它不仅可以分析温度、对流和热流等给定边界条件下的非线性热传导问题，同时也可以为高度非线性的强迫对流边界和热辐射边界提供一种简便的收敛性分析。将MARC的传热分析和位移分析相结合，可以分析耦合或解耦的热力相互作用和速度场耦合，以及流动-热耦合;结合电压场，分析了焦耳热的产生。

（二）滑动轴承分析

Marc为滑动轴承提供了一定的分析功能，同时其能够对各种几何润滑剂进行过模拟，且实效性较好，比如说楔块轴承、螺纹推力轴承和有限宽度径向滑动轴承。

（三）流体分析

Marc使用Euler方法描述有限元方法，该方法可以解决一系列水动力问题。自由度是压力、速度和温度;给定约束类边界处的压力、温度和速度;负荷边界条件主要包括：节点集中力、单元边界分布力、单元体积力、节点热流、单元边界分布热流、单元体积热流、单元边界对流、热辐射等传热边界条件。流体是不可压缩的单向层流。除了具有恒定粘度的牛顿流体外，还可以模拟几种非牛顿流体。

结语：综上所述，随着时代的进步，人们的生活质量在不断地提升，汽车已经成为当前大部分家庭的代步工具，因此对于汽车轴承设计的要求也越来越高。而且受到科学技术手段不斷进步的影响，对于汽车轴承设计使用的技术越来越先进，在设计的过程中，也会遇见一定的问题，比如说热处理、材料、制造水平等，因此一定要使用现代化技术方法，有效地对问题进行分析求解。

参考文献：

[1]方金顺. 基于有限元仿真技术的车辆侧翻台结构力学仿真与优化设计[J]. 专用汽车， 2021（10）：4.

[2]宋杨法， 黄志辉， 雷亚南. 基于有限元方法的内圈装反轴承受力分析与寿命评估[J]. 石家庄铁道大学学报：自然科学版， 2021， 34（3）：9.

作者简介：戴龙龙（1988年10月——），男，汉族，江西吉安人，大专，研究方向：汽车轴承设计与应用。