滚动直线导轨副静刚度测量误差建模补偿仿真及图纸(4)

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有限元仿真是滚动直线导轨副的重要理论研究方法，本章在 ANSYS Workbench 有限元仿真分析软件中，建立滚动直线导轨副简化模型，导轨副垂直静刚度及其影响因素进行有限元仿真，并且分别对比分析滚珠导轨副的滚珠直径、接触角、曲率比、滚珠间隙和滚柱导轨副的滚柱直径、接触角、滚柱间隙等结构参数对导轨副静刚度的影响趋势。

2.1 导轨副垂直静刚度仿真

1）模型建立

以 45 规格的单圆弧滚道、矩形滑块的滚珠直线导轨副为例，建立简化模型时，只考虑滑块、滚珠和导轨，且滚珠间保持均匀间隙。查找样本手册，确定该规格导轨副尺寸参数，如表 2.1。根据导轨副结构和载荷对称特点，取其中 2/N 进行建模，如图 2.1 所示的简化模型

表 2.1 有限元仿真模型参数

参数名/单位初始值说明

H/mm 70 导轨副高度

K/mm 53 滑块高度

H1/mm 38 导轨高度

B1/mm 86 滑块宽度

B4/mm 45 导轨宽度

GAP/mm 0.5 滚珠间隙

N 104 滚珠数目

D/mm 5 滚珠直径

f 0.52 曲率比

θ/° 45 接触角

图 2.1 导轨副有限元模型

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2）材料属性定义

在 ANSYS workbench 中选用结构静力学（Static Structural）模块，在 Engineering Data 中添加轴承钢 GCr15，其材料属性设置为：弹性模量 E=2.19E5MPa，泊松比 0.3，密度 ρ=7830 kg/m3 ，无需更改其他参数。更新 model，在 Geometry 中分别选择滑块、滚珠和导轨，设置其材料为轴承钢 GCr15。

3）接触设定论文网

对于本模型，滚珠与滚道之间有相对运动，所以选择 Frictional（摩擦接触），摩擦系数取 f=0.004，接触算法选取 Augmented Lagrange，接触面均为曲面，选项 Interface Treatment 设置成 Adjust to Touch，使滚珠与滚道间正好产生接触。

4）网格划分对于导轨副简化模型采用自动划分网格法，设置导轨、滑块和滚珠网格大小分别为为 2mm、

2mm 和 1mm。导轨副网格化模型如图 2.2 所示。

图 2.2 导轨副网格模型

5）设置边界条件与载荷根据导轨副实际约束条件和对称特点施加边界约束，在轨道底面施加 Fixed Support 约束；

对滚珠施加Z方向的 Displacement 约束；对简化 2/N 模型的称面施加 Frictionless Support约束；上表面施加垂直向下的 500N 的 Force，如下图 2.3 所示。

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图 2.3 边界条件和载荷

6）求解

在 Analysis Settings 中将求解器设置成易收敛、运算能力强、速度快的 Direct，其适合于求解非线性问题，将 Large Deflection 设置为 on；将 Weak Springs 设置为 on。在滑块上表面添加 Y Axis 方向的 Directional Deformation，求解滑块上表面在垂直方向的变形量，如图 2.4 所示。在滚珠中心位置建立坐标系，并创建与 XY 平面平行的平面，在该平面上添加 Equivalent Stress，求解显示滚珠剖面的应力变化状态，如图 2.5 所示。