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(kuò)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(xù)沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴(kuò)展過程，結(jié)果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴(kuò)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)。
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(kuò)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(kuò)展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應(yīng)力集中區(qū)域A、B、C和D
擴(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。
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(kuò)展屬性定義；
圖3 材料定義和裂紋擴(kuò)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
如圖9所示為保持架橫梁末端裂紋的擴(kuò)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(kuò)展以后，首先向深度方面延伸，然后裂紋擴(kuò)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(kuò)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(fù)）。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(lán)色），標(biāo)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(kuò)展趨勢分析
圖10 裂紋擴(kuò)展區(qū)域局部放大圖
圖11 裂縫狀態(tài)
圖12 裂紋statuxfem圖示
滾子軸承常用于齒輪箱等旋轉(zhuǎn)機(jī)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(kuò)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(kuò)展趨勢。結(jié)果顯示，裂紋在深度方向擴(kuò)展一定距離后，其擴(kuò)展方向發(fā)生45?偏轉(zhuǎn)，并繼續(xù)擴(kuò)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)。
文章來源：CAE仿真學(xué)社
