滾動接觸疲勞的案例
如何在 COMSOL 中模擬接觸疲勞
軸承、齒輪、軌道和凸輪的損壞是由一種叫做接觸疲勞的損傷機制引起的。當接觸的兩個零件承受瞬態(tài)接觸壓力時，在裝配中就會發(fā)生這種情況。當傳遞的載荷過高時，經(jīng)過無數(shù)次的載荷循環(huán)，表面材料的一塊會剝落并留下一個小凹坑。這種現(xiàn)象被稱為剝落或點蝕。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，我們可以建立接觸疲勞模型并預測這些組件的失效。
接觸疲勞的損傷機制
當兩個零件之間不斷變化的接觸壓力在表面和次表面層上引入一個隨時間變化的應力狀態(tài)時，就會發(fā)生接觸疲勞。當應力過高時，就會在組件的表面和次表面形成微裂縫。表面下的微裂縫經(jīng)常是始于某種缺陷，如材料的雜質(zhì)。這種微裂紋隨著加載會平行于表面增長。在一定程度上，它會向表面彎曲，去除一塊材料而留下一個淺孔。
一個滾動體沿彎曲滾道運動時的應力軌跡。頂面的紅色顯示了高水平的接觸壓力，藍色顯示了無應力區(qū)域。次表面分別以紅色和藍色顯示高和低的等效應力。
接觸疲勞的三種主要類型是：
長期接觸疲勞
滾動接觸疲勞
微動接觸疲勞
在長期接觸疲勞中，接觸的兩個物體在表面的法線方向上經(jīng)歷了相對運動。這種運動可以非常小，小到人眼看不到，也可以大到使表面分離。這兩個物體被反復擠壓然后被釋放。在滾動接觸疲勞中，接觸疲勞是由物體在表面上的滾動引起的。
文中我們不會討論建立微動疲勞模型的具體細節(jié)，但這種類型的疲勞發(fā)生在接觸的兩個物體沿表面有一個小的相對運動（如振動）時。在宏觀層面上，這兩個物體似乎是相向運動的，但在微觀層面上，這兩個表面會出現(xiàn)相對運動，從而導致疲勞失效。
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<p class="ql-align-justify"> <span style="color: rgb(25, 27, 31);"> </span>目前，輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型日漸成熟，尤其針對直線半輪對情況。利用該模型已經(jīng)詳細開展了大量的輪軌滾動仿真，比如：1）輪軌不平順（鋼軌波磨、焊接接頭、硌傷、隱傷；車輪多邊形、擦傷、凹磨）；2）道岔瞬態(tài)沖擊振動；3）單點-兩點接觸；4）輪軌低黏著；5）熱機耦合，并分析了各種情形下的輪軌滾動接觸力學行為、磨耗和疲勞損傷問題。然而，該成熟的模型大多都是基于ANSYS軟件建立，而ABAQUS軟件本身在模擬強非線性接觸、材料塑性本構(gòu)、CAE界面操作等方面具有顯著的優(yōu)勢，但是當下基于ABAQUS軟件建立的輪軌瞬態(tài)滾動接觸模型仍存在很多問題，比如：<strong>輪軌力不穩(wěn)定、車輪網(wǎng)格沙漏引起畸變、牽引/制動模擬困難、一系耦合約束和扣件模擬不當?shù)?lt;/strong>，使得該模型推廣受阻。本文旨在從作者經(jīng)驗角度，分享輪軌滾動接觸有限元建模時可能面臨的問題，如有不當，還歡迎批評指正。</p><p><span style="color: rgb(25, 27, 31);"> </span>輪軌瞬態(tài)滾動接觸有限元模型中，由于車輪具有較高的滾動速度，使得車輪瞬態(tài)滾動時對系統(tǒng)激擾較大，輪軌接觸力穩(wěn)定困難。因此，采用<strong>隱式-顯式方法模擬瞬態(tài)滾動接觸行為</strong>，其中隱式模型可得到車輪在重力場下的輪軌靜態(tài)位移和應力場結(jié)果，然后將其導入至顯式模型中，再在顯式模型中模擬車輪滾動。以下分別介紹這兩個模型及其之間的關(guān)聯(lián)。
展開 滾動軸承疲勞故障診斷系統(tǒng)
滾動軸承疲勞故障診斷系統(tǒng)
軸承的壽命理論（一）
而且我相信很多熟悉軸承的工程師每天都會聽到很多跟軸承壽命相關(guān)的名詞，例如，軸承壽命，軸承的額定壽命，軸承的疲勞壽命，還有高級疲勞壽命，使用壽命，這些名詞的背后都代表了什么意思，這些壽命之間有什么關(guān)系，為什么壽命被表示成L10，那些公式里林林總總的系數(shù)都是什么意思？
軸承的壽命，說起來是個很簡單的概念，但是涉及到應用，牽扯的東西方方面面。所以，這個話題的內(nèi)容比較多，我們會準備一系列文章一一跟大家討論。
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什么是軸承的壽命
20世紀40年代，人們已經(jīng)認識到，運轉(zhuǎn)中的滾動軸承，如果潤滑良好，運行環(huán)境干凈無雜質(zhì)，沒有潮氣和腐蝕，并且載荷適中，那么軸承損壞的原因只有一個，即材料的疲勞。過去我們一直認為，由于存在滾動接觸表面的疲勞概率，任何旋轉(zhuǎn)軸承（包括滾動，滑動，以及其他設(shè)計的軸承）都不可能無限運轉(zhuǎn)。因為軸承中的應力是循環(huán)作用在接觸表面，相比較其他的工程結(jié)構(gòu)來說，這種應力要大得多。同時，在其他的工程結(jié)構(gòu)中，鋼材（或者金屬材料）具有一個代表動態(tài)應力水平的耐久極限，如果動態(tài)應力不超過這一水平，結(jié)構(gòu)就不會發(fā)生疲勞破壞。
滾動接觸疲勞表現(xiàn)為：金屬顆粒從滾道（或者滾動體）表面剝落的過程。
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滾動軸承介紹PPT（角接觸球軸承）
角接觸球軸承是球軸承中一個重要的類型。與深溝球軸承相比，角接觸球軸承具有更大的軸向負荷承載能力，適用于軸向負荷較重的場合。角接觸球軸承也是電機和一些機械設(shè)備常用的軸承類型。本文分享一些角接觸球軸承的培訓PPT。
輪胎-地面滾動摩擦接觸有限元分析
由于充氣輪胎是由簾線、橡膠、鋼絲圈等組成的復雜結(jié)構(gòu)體, 正常工作狀態(tài)下受力復雜, 其結(jié)構(gòu)分析涉及到材料非線性、幾何非線性及輪胎與地面的接觸非線性等復雜問題, 使得對輪胎的各種力學性能的精確分析都非常困難。
1、問題描述
地面假設(shè)為剛性面，材料為結(jié)構(gòu)鋼，輪胎的材料模型使用2參數(shù)M-R模型，密度為2500，C10=10MPa，C01=2.5E8Pa，D1=1E-5。輪胎和地面的摩擦系數(shù)為0.35，輪胎內(nèi)部承受恒定壓力0.1MPa，并且承受3000N的載荷。輪胎從0-3s，由0RPM加速到68RPM。輪胎的厚度為0.006m。
2、技術(shù)路線
3、關(guān)鍵步驟
來源：CAE技術(shù)聯(lián)盟
ABAQUS車輪滾動接觸附加軌道不平順動力學模型 ￥299
1.通過MATLAB進行改進后的鋼軌如圖所示
2.通過單輪單鋼軌進行模擬車輪在鋼軌上滾動，效果如圖
3.輪軌滾動細節(jié)圖
有需要的小伙伴可購買，本模型包括ABAQUS/CAE文件+配套的軌道不平順編輯器
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實用疲勞理論入門介紹
靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環(huán)境都有關(guān)系。
二、疲勞分類：
1、機械疲勞：外加應力或應變波動造成的機械疲勞
2、蠕變疲勞：循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的
3、熱機械疲勞：循環(huán)受載部件的溫度也變動時引入的熱機械疲勞（即熱疲勞與機械疲勞的組合）
4、腐蝕疲勞：存在侵蝕性化學介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復載荷時產(chǎn)生的
5、滾動接觸疲勞：載荷的反復作用與材料之間的滾動接觸相結(jié)合產(chǎn)生的
6、微動疲勞：脈動應力與表面間的來回相對運動和摩擦滑動共同作用產(chǎn)生的
三、疲勞壽命
1、許用應力
許用應力是機械設(shè)計中允許零件或構(gòu)件承受的最大應力值，要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應力過高或過低，需要預先確定一個衡量的標準，這個標準就是許用應力。許用應力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當修正的材料失效應力除以安全系數(shù)。靜強度設(shè)計中塑性材料以屈服極限作為失效應力，脆性材料以強度極限作為失效應力。
2、疲勞壽命
材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。
常規(guī)疲勞強度計算是以名義應力為基礎(chǔ)的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應力-壽命曲線（σ-N曲線）和應變-壽命曲線（δ-Ν曲線）表示。應力-壽命曲線和應變-壽命曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。
3、循環(huán)應力的特性
循環(huán)應力的特性用最小應力σmin與最大應力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r稱為循環(huán)特征。對應于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。
展開 WB13.0螺栓疲勞校核（接觸分析，螺栓預緊力，疲勞分析模）
高強螺栓結(jié)構(gòu)應力與疲勞校核分析報告.zip
高強螺栓的疲勞分析校核。應用WB自帶的疲勞分析模塊，對螺栓進行應力分析和疲勞校核。
特點：疲勞分析模塊的應用；螺栓預緊力；對稱，多載荷步；接觸非線性。
由于涉及企業(yè)隱私，和單位法規(guī)的規(guī)定，隱去報告中含有隱私的 部分，望大家見諒和理解，歡迎大家討論，共同進步。
接焊縫接觸面的疲勞分析研究
EH36鋼的疲勞性能對接焊縫接觸面沖刷過程的超長壽命的校核，實驗結(jié)果表明，108—010年期間仍然可能發(fā)生疲勞斷裂，與常規(guī)方法使用不兼容的疲勞強度對應于1 107年周期設(shè)計中，需要焊接結(jié)構(gòu)能在超長壽命服役制度。掃描電子顯微鏡分析表明,疲勞裂紋主要發(fā)起于接焊縫的坡口接觸面的內(nèi)部缺陷。一種新的“魚眼”缺陷在焊接接頭中被發(fā)現(xiàn)。對接焊縫接觸面中的區(qū)域缺陷與其疲勞壽命的關(guān)系已經(jīng)被證實。當缺陷尺寸足夠大且數(shù)量較多時，將嚴重降低焊接接頭的疲勞性能。夾雜對合金焊接接頭疲勞性能也有嚴重的影響。
1.介紹
近年來越來越多的的構(gòu)件采用焊接而成，實際應用中發(fā)現(xiàn)此焊接結(jié)構(gòu)的破壞多是從焊接接頭處開始的，這主要是由于在焊接接頭處存在氣孔、未焊透以及裂紋等集合缺陷，導致局部區(qū)域應力集中，從而降低了整個結(jié)構(gòu)的強度和使用壽命。因此研究焊接接頭處的疲勞表現(xiàn)以及分析影響焊接接頭性能的因素具有重要意義。
如果完全采用工藝試驗的方法進行這方面的研究，研究成本會很高而且周期也長，不利于新產(chǎn)品的開發(fā)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元分析軟件在工程中得到了廣泛地應用。本題采用ANSYS軟件來模擬焊接缺陷，進行平疲勞方面的分析。將有限元計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行對比，表明有限元計算結(jié)果是合理的，因此可以采用ANSYS對焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞分析。
2.1 焊縫接觸面夾雜缺陷有限元分析基本理論
焊接熱作用貫穿整個焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中，焊接熱過程直接決定了接頭的顯微組織焊接應力與變形，而焊接接頭的顯微組織卻影響著接頭的疲勞強度壽命。隨著計算機技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展，采用有限元法通過計算機對焊接區(qū)拘束應力的瞬時分布進行了研究，同時結(jié)合裂紋和組織觀察來進行全面分析，可以深入研究各種因素對焊接裂紋起裂和擴展的影響。
展開 西南交通大學金學松教授團隊：基于地鐵車內(nèi)噪聲的鋼軌粗糙度接受/驗收準則| CJME論文推薦
目前主要從事輪軌關(guān)系問題研究，其中包括輪軌滾動接觸理論、輪軌粘著、輪軌接觸表面波浪形磨損和滾動接觸疲勞、輪軌噪聲、脫軌和輪軌型面設(shè)計。先后主持、主研和參加了國家自然科學基金重點、面上項目、科技部項目、省部級項目、橫向課題四十多項，發(fā)表和合作發(fā)表論文200多篇，合作出版著作3部：《固體接觸力學》（鐵道出版社出版，1999）、《輪軌摩擦學》（鐵道出版社出版，2004）和《輪軌蠕滑理論及其試驗研究》（西南交通大學出版社出版，2006）。曾獲得“滾動振動試驗臺”國家科技進步一等獎（1999），西南交通大學黃袁創(chuàng)新獎（2000），西南交通大學指導優(yōu)秀碩士論文獎（7人次），西南交通大學和四川省優(yōu)秀博士論文獎（2001），國家百篇優(yōu)秀博士論文獎（2002），教育部優(yōu)秀骨干教師獎（2002），四川省突貢專家（2002），四川省學術(shù)帶頭人（2003），享受國務院政府津貼（2005），省優(yōu)秀博士論文特別獎（2006），省優(yōu)秀博士論文指導獎（2007），省優(yōu)秀碩士論文指導獎（2007）、鐵道部科技進步一等獎（2008）。現(xiàn)任國際雜志“The Open Mechanical Engineering Journal”、《工程力學》、《機械強度》、《計算機輔助工程》等雜志編委、國際“輪軌系統(tǒng)磨耗和接觸力學”會議國際組委委員。
作者介紹
劉曉龍（本文第一作者），男，1990.05出生，西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，載運工具運用工程在讀博士生。主要從事軌道交通噪聲與振動控制技術(shù)，及輪軌粗糙度監(jiān)測技術(shù)研究，參與了國家重點研發(fā)計劃-全生命周期輪軌噪聲預測及控制技術(shù)研究。
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