基于有限元仿真技術的汽車軸承設計現狀研究

摘? 要：當前我國經濟社會在不斷地發展和進步，人們對設計技術也越來越重視，而且受到科學技術水平以及信息技術水平不斷地優化和完善的影響，當前在設計領域也創新了各式各樣的設計方法，比如說有限元設計、創新設計、概念設計。智能化設計、計算機輔助設計等等。在汽車軸承設計中也不斷的應用多元化的技術，本文基于此對基于有限元仿真技術的汽車軸承設計現狀進行探究分析。

關鍵詞：有限元仿真技術;汽車軸承;設計現狀

引言：對于生產運營來說，其中入門工序就是設計，而其設計水平以及設計效果直接影響后續的生產運營，同時也會對產品的評價造成一定的影響，進而影響企業的企業形象以及經濟效益。一般來說汽車軸承設計可以分為產品規劃、方案設計、技術設計、施工設計四個階段，因此在對汽車軸承進行設計的過程中，一般需要完成兩個方面的工作，一個是理論計算，另外一個是從無到有設計一部機器。

一、有限元仿真技術（ANSYS有限元分析軟件）在汽車軸承設計中應用現狀

（一）結構靜力與動力分析

ANSYS有限元分析軟件是1970年創建，由于其創建時間較長，因此隨著不斷的完善和優化，其特點和功能相對來說較為齊全，也在各領域內進行推廣和應用。ANSYS有限元分析軟件在應用的過程中，其中靜力分析主要為非線性，比如說蠕變、塑性、膨脹、大變形、大應變以及接觸面等。而這種非線性分析在進行工作的過程中一般是需要依靠加載荷完成。在ANSYS有限元分析軟件之中，可以將結構屈曲分析分為兩類，一個是線性（特征值）屈曲，另一個是非線性屈曲。而且ANSYS有限元分析軟件在運行的過程中可以解決動力分析的問題，比如說模態、瞬態動力、諧波響應、響應譜以及隨機震動[1]。

（二）結構非線性分析

在對動態以及瞬態進行分析的過程中，ANSYS有限元分析軟件運行可以考慮多元化的非線性影響，比如說材料、集合以及單元非線性。

1.材料非線性分析：它可以對各種非線性材料特性進行一定的模擬。以非線性應力為基礎，對關系特征的塑性、多線性、彈性和超彈性進行應變，同時也可以對運行過程中的其他多種因素進行應變，比如說與時間、溫度、電子流水平等因素相關的粘塑性、蠕變、膨脹和粘彈性。對于非線性材料特性需要使用的解決方法一般會選擇Newton Raphson方法。

2.幾何非線性分析：它可以幫助解決現存的幾何非線性問題：大應變、大變形、應力硬化和旋轉軟化。對于現存的高度非線性的結構問題，可以應用ANSYS和LS-DYNA的集成，相比較而言而這種方法對于解決某類問題時，其效果比ANSYS中原來的隱式非線性解更強，主要是由于該解決方式不構成剛度矩陣，因此也更加適用于求解大接觸變形和材料非線性問題。ANSYS/ls-dy-na可以模擬材料成形、鍛造、沖壓等工業過程，也可以模擬汽車碰撞和物體墜落的過程。材料模型包括彈性、彈塑性、塑料、合成橡膠、玻璃和泡沫模型。

（三）熱分析

ANSYS有限元分析軟件在對熱傳遞進行處理的過程中，可以主要分為三大類：傳導、對流（自由和強迫）以及輻射。而根據這三類可以將熱傳遞處理的過程中使用穩態和瞬態、線性或者是非線性進行熱分析工作。

1.穩態分析：在這一過程中可以施加的荷載類型主要包括對流表面、熱流密度、熱流率、熱生成率以及給定溫度。可以將分析分為兩個類型。一種是線性分析，另外一種是非線性分析。

2.瞬態分析：瞬態分析一般可以分為線性分析或者是非線性分析。瞬態熱分析一般是指可定義的載荷類型與穩態情況相同。

3.相變分析：它是瞬態熱分析的特例，解決了傳熱過程中材料的凝固和溶解問題。在分析狀態變化（相變）時，必須考慮相變過程中釋放或吸收的能量（潛熱），這可以通過在ANSYS中將材料的熱函數定義為溫度的函數來實現。

（四）電場分析以及壓電分析

電場分析函數用于研究電流傳導的靜電分析。感興趣的量是電流密度、電場強度、電壓分布、電通量密度、傳導產生的焦耳熱、儲能和電容。壓電分析能力用于分析三維結構對交流、直流或任何隨時間變化的電氣或機械負載的響應。

（五）ANSYA的材料

ANSYS程序可以定義不隨溫度變化的各向同性材料，以及各向異性材料和隨溫度變化的材料。為了便于輸入，ANSYS建立了一個包含鋼、鋁和銅等10種材料的材料庫。只要用戶選擇材料模型，就可以自動定義結構分析或熱分析所需的材料數據。借助于特殊的多層殼體和實體單元，可以建立復合材料模型。這些元素允許各向同性或正交各向異性材料的疊加，層厚度和材料可以改變。

二、有限元仿真技術（MARC有限元分析軟件）在汽車軸承設計中應用現狀

Marc是Marc公司的產品，其主要特點是非線性有限元分析。它的創始人是布朗大學力學系教授佩德羅·馬塞爾。Marc軟件可以解決多種現場問題，這其中主要包括各種結構的位移場和應力場分析、非結構溫度場分析、流場分析、電場、磁場和聲場分析;同時也針對各個領域的耦合分析，包括熱力耦合、土壤滲流耦合、滑動軸承結構耦合、擴散應力耦合、流熱耦合、流熱固耦合、電磁場耦合、電熱耦合、電熱結構耦合、聲結構耦合等分析功能[2]。

（一）熱傳導分析

Marc具有一維、二維和三維穩態以及瞬態熱傳導分析能力。它可以對各向同性、各向異性或正交各向異性的熱物理參數進行準確的表述，處理比熱和導熱系數隨溫度或其他變量變化的材料的非線性和高度非線性相變潛熱。而其較為突出的一點是它不僅可以分析溫度、對流和熱流等給定邊界條件下的非線性熱傳導問題，同時也可以為高度非線性的強迫對流邊界和熱輻射邊界提供一種簡便的收斂性分析。將MARC的傳熱分析和位移分析相結合，可以分析耦合或解耦的熱力相互作用和速度場耦合，以及流動-熱耦合;結合電壓場，分析了焦耳熱的產生。

（二）滑動軸承分析

Marc為滑動軸承提供了一定的分析功能，同時其能夠對各種幾何潤滑劑進行過模擬，且實效性較好，比如說楔塊軸承、螺紋推力軸承和有限寬度徑向滑動軸承。

（三）流體分析

Marc使用Euler方法描述有限元方法，該方法可以解決一系列水動力問題。自由度是壓力、速度和溫度;給定約束類邊界處的壓力、溫度和速度;負荷邊界條件主要包括：節點集中力、單元邊界分布力、單元體積力、節點熱流、單元邊界分布熱流、單元體積熱流、單元邊界對流、熱輻射等傳熱邊界條件。流體是不可壓縮的單向層流。除了具有恒定粘度的牛頓流體外，還可以模擬幾種非牛頓流體。

結語：綜上所述，隨著時代的進步，人們的生活質量在不斷地提升，汽車已經成為當前大部分家庭的代步工具，因此對于汽車軸承設計的要求也越來越高。而且受到科學技術手段不斷進步的影響，對于汽車軸承設計使用的技術越來越先進，在設計的過程中，也會遇見一定的問題，比如說熱處理、材料、制造水平等，因此一定要使用現代化技術方法，有效地對問題進行分析求解。

參考文獻：

[1]方金順. 基于有限元仿真技術的車輛側翻臺結構力學仿真與優化設計[J]. 專用汽車， 2021（10）：4.

[2]宋楊法， 黃志輝， 雷亞南. 基于有限元方法的內圈裝反軸承受力分析與壽命評估[J]. 石家莊鐵道大學學報：自然科學版， 2021， 34（3）：9.

作者簡介：戴龍龍（1988年10月——），男，漢族，江西吉安人，大專，研究方向：汽車軸承設計與應用。