算例丨基于ABAQUS的滚子轴承保持架横梁裂纹扩展仿真分析

专业技术文章：滚子轴承保持架横梁在冲击载荷作用下的有限元分析与裂纹扩展模拟


1. 问题描述

在旋转机械系统中，滚子轴承是关键的支承零件之一。滚子轴承运行过程中，滚动体在载荷区域推动保持架旋转，同时保持架在非承载区域通过滚动体推进熊动，从而形成接触和被接触区域。这种接触作用产生了具有短作用时间、大幅度幅值的冲击载荷特征，加剧了滚动体与保持架之间的机械交互作用。当存在滚动体与轴承保持架的滑动现象时，这种互动效果尤为显著，易于在保持架横梁的内部形成压力集中区域，导致特定位置的应力分布异常，从而萌生并扩展裂纹，显著影响滚子轴承的使用寿命和性能。应力集中的关键位置通常出现于保持架横梁与滚动体接触点附近的部位，如图1所示的区域A、B、C和D所示。




2. 有限元建模方法

为解决上述难题，研究采用了扩展有限元方法（XFEM），这一21世纪初提出的技术在模拟裂纹扩展、界面行为等领域展现出突出效能，其通过创新的单元网格技术覆盖并精确描述了裂纹形态，无需对模型进行高密度网格剖分，特别适合复杂结构与裂纹演化的计算。XFEM与传统有限元方法（CFEM）的主要差异在于，它通过特有的形状函数部分封装裂纹或其他不连续现象的信息，使之与模型内部几何结构无关，进而简化了对高集中力区域和尖端应力的模拟。通过单位分解原理，使得模型拥有良好的收敛性，同时确保了在裂纹路径扩展过程中模型的连续性和准确性。

3. 滚子轴承保持架横梁有限元模型构建

在模型构建阶段，以滚子轴承的保持架横梁作为分析主体，采用先进的三维几何建模软件ANSA，基于真实的横梁尺寸（长30mm，宽2mm，材质为钢）进行健康状态模型构建。借助ABAQUS等专业的有限元软件，通过INP文件格式导入保持架横梁结构，进而创建并整合裂纹（模拟裂纹扩展路径）模型。整个过程共涉及到121,249个单元的建立与连接，确保了模型在冲击载荷模拟上的准确性和全面性。

4. 裂纹萌生与扩展仿真分析

通过有限元模拟，首先定义了材料属性和裂纹扩展特有的物理参数，进一步细致地研究了在连续冲击载荷作用下的裂纹生成与扩展模式。结果显示，裂纹从初始位置深度约为0.45mm的位置开始萌生，并沿着垂直保持架横梁表面的方向延伸。之后，随着柱体负载的施加（设置为708N），裂纹的扩展方向出现了显著的偏转，角度约为45°，此现象揭示了裂纹由稳定的深度方向扩展转变为斜向扩展的过程。裂纹扩展趋势如图9所示，通过PHILSM分析显示了裂纹面的局部变形分布（主要以等高线的形式呈现）。通过STATUXFEM进一步解析裂纹的开裂状态（图12），当裂纹开裂程度较高（统计为1，表示完全开裂）时，区域将呈现红色；当开裂程度较低（统计为0，表示完全不开裂）时，区域则显示为深蓝色；而在两者之间则意味着裂纹扩展的不同阶段。

5. 结论

综上所述，滚子轴承的保持架横梁在接触载荷的作用下，尤其容易在特定位置产生裂纹，并在应力集中的影响下逐渐扩展，直至导致保持架失效。通过对滚子轴承保持架横梁三维模型的构建并进行裂纹扩展的仿真分析，我们得出了以下关键结论：裂纹扩展趋势具有特定特性，尤其是在深度方向扩张一定的距离后常表现出近45°的偏转角度，进而继续扩张。这些研究结果为优化滚子轴承保持架结构设计、提升系统稳定性与可靠性提供了宝贵指导，预期能够有效延长轴承的使用寿命，提高其在实际应用中的性能。这项研究作为CAE仿真学社提供的一个应用案例，展示了有限元技术在解决轴承设计挑战中的巨大潜力与应用价值。

参考和来源：

CAE仿真学社，提供了本文结构与研究方法的关键阐释，作为本次研究设计与分析的基础。