基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析

Cliff_Shi 重慶大學(xué) 400044

1. 摘要

    滾子軸承在轉(zhuǎn)動過程中會在滾動體與保持架之間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，導(dǎo)致應(yīng)力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發(fā)保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續(xù)沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結(jié)果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結(jié)果為滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益指導(dǎo)。

2. 問題/任務(wù)描述

滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區(qū)推動保持架轉(zhuǎn)動，而保持架在非承載區(qū)推動滾動體轉(zhuǎn)動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導(dǎo)致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發(fā)生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區(qū)域A和B發(fā)生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應(yīng)力容易在區(qū)域A、B、C和D區(qū)域集中分布，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)裂紋萌生，在滾動體的反復(fù)沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。具體參考《滾針軸承滾針—保持架沖擊碰撞特征仿真分析》一文[1]。

圖1 保持架應(yīng)力集中區(qū)域A、B、C和D

3. 仿真計算采用的設(shè)備基本情況（CPU、內(nèi)存等）

Intel(R) Core(TM) i7-8565U CPU @ 1.80GHz   1.99 GHz

8.00 GB (7.88 GB 可用)

Abaqus 6.14

4. 有限元建模技術(shù)

4.1 XFEM簡介

擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續(xù)力學(xué)問題的數(shù)值方法, 它繼承了常規(guī)有限元法(CFEM)的所有優(yōu)點, 在模擬界面、裂紋生長、復(fù)雜流體等不連續(xù)問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發(fā)展與應(yīng)用. XFEM與CFEM的最根本區(qū)別在于, 它所使用的網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的幾何或物理界面無關(guān), 從而克服了在諸如裂紋尖端等高應(yīng)力和變形集中區(qū)進行高密度網(wǎng)格剖分所帶來的困難, 模擬裂紋生長時也無需對網(wǎng)格進行重新剖分.重點介紹XFEM的基本原理、實施步驟及應(yīng)用實例等, 并進行必要的評述. 單位分解概念保證了XFEM的收斂, 基于此, XFEM通過改進單元的形狀函數(shù)使之包含問題不連續(xù)性的基本成分, 從而放松對網(wǎng)格密度的過分要求[2]。

4.2 滾子軸承保持架XFEM建模

如圖2所示為滾子軸承保持架橫梁XFEM模型，局部裂紋布置在保持架橫梁末端，保持架橫梁長30 mm，寬度為2 mm，材料為鋼。在建模過程中，采用ANSA建立保持架橫梁健康狀態(tài)下的有限元模型，并將其以INP文件導(dǎo)入ABAQUS中，在PART中建立裂紋部件，并將其組合到一起，共121249個單元。

圖2 滾子軸承保持架XFEM模型

    關(guān)鍵步驟如下，1）如圖3所示為材料定義和裂紋擴展屬性定義；

圖3 材料定義和裂紋擴展屬性定義

    2）如圖4所示為求解載荷步定義；

圖4 載荷步定義

    3）如圖5所示為裂紋區(qū)域及裂紋位置定義；如圖6為裂紋Interaction定義；

圖5裂紋區(qū)域及裂紋位置定義

圖6 裂紋Interaction定義

    4）如圖7所示為定義載荷與約束；

圖7 定義載荷與約束

    5）如圖8所示求解。

圖8 求解

4. 結(jié)果與討論

    如圖9所示為保持架橫梁末端裂紋的擴展趨勢圖，結(jié)果顯示，初試裂紋深度為0.45 mm，垂直于保持架橫梁表面，施加載荷為708 N。裂紋在開始擴展以后，首先向深度方面延伸，然后裂紋擴展方向發(fā)生明顯改變，如圖10所示，裂紋出現(xiàn)偏斜，角度約為45?，向橫梁另一面擴展。如圖11所示為裂紋狀態(tài)圖（PHILSM），表示裂紋面上，距離裂縫的等高線（值有正有負）。如12表示保持架橫梁裂紋的statuxfem開裂狀態(tài)，當(dāng)=1時（紅色），表示完全開裂；當(dāng)=0時（深藍色），標識完全不開裂；當(dāng)0~1之間時，不同開裂程度。

圖9 裂紋位置與擴展趨勢分析

圖10 裂紋擴展區(qū)域局部放大圖

圖11 裂縫狀態(tài)

圖12 裂紋statuxfem圖示

5. 結(jié)論

    滾子軸承常用于齒輪箱等旋轉(zhuǎn)機械中，其保持架橫梁受滾動體沖擊載荷的影響，容易在橫梁末端產(chǎn)生裂紋，并擴展導(dǎo)致保持架失效。通過建立簡化保持架橫梁3D模型，仿真分析了保持架橫梁末端裂紋的擴展趨勢。結(jié)果顯示，裂紋在深度方向擴展一定距離后，其擴展方向發(fā)生45?偏轉(zhuǎn)，并繼續(xù)擴大。分析結(jié)果為滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益指導(dǎo)。

參考文獻

[1] Cliff. 滾針軸承滾針—保持架沖擊碰撞特征仿真分析. 技術(shù)鄰. 2021.

http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1817166

[1] 李錄賢, 王鐵軍. 擴展有限元法(XFEM)及其應(yīng)用[J]. 力學(xué)進展, 2005, 35(1): 5-20. doi: 10.6052/1000-0992-2005-1-J2004-054