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。