滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發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，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。

一

問題描述

滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區推動保持架轉動，而保持架在非承載區推動滾動體轉動，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，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發生斷裂，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域A和B發生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區域A、B、C和D區域集中分布，導致該區域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。

圖1 保持架應力集中區域A、B、C和D

二

有限元建模

擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續力學問題的數值方法, 它繼承了常規有限元法(CFEM)的所有優點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發展與應用. XFEM與CFEM的最根本區別在于, 它所使用的網格與結構內部的幾何或物理界面無關, 從而克服了在諸如裂紋尖端等高應力和變形集中區進行高密度網格剖分所帶來的困難, 模擬裂紋生長時也無需對網格進行重新剖分.重點介紹XFEM的基本原理、實施步驟及應用實例等, 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使之包含問題不連續性的基本成分, 從而放松對網格密度的過分要求。

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下的有限元模型，并將其以INP文件導入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所示為裂紋區域及裂紋位置定義；如圖6為裂紋Interaction定義；

圖5裂紋區域及裂紋位置定義

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

三

結果與討論

    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生明顯改變，如圖10所示，裂紋出現偏斜，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，當=1時（紅色），表示完全開裂；當=0時（深藍色），標識完全不開裂；當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 裂紋擴展區域局部放大圖

圖11 裂縫狀態

圖12 裂紋statuxfem圖示

四

結論

    滾子軸承常用于齒輪箱等旋轉機械中，其保持架橫梁受滾動體沖擊載荷的影響，容易在橫梁末端產生裂紋，并擴展導致保持架失效。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。結果顯示，裂紋在深度方向擴展一定距離后，其擴展方向發生45?偏轉，并繼續擴大。分析結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。

文章來源：CAE技術交流