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有限元模型的建立与分析


引言

滚子轴承在现代工业设备中扮演着关键角色，尤其是在要求高可靠性和运行效率的齿轮箱等旋转机械中。滚子轴承的保持架横梁在接受滚动体的冲击载荷时，由于滚动体与保持架之间的接触特性，易于在裂纹萌生点生长和扩展负荷，导致保持架的失效问题。本文通过建立3D保持架横梁的有限元模型，对保持架横梁在连续冲击载荷作用下的裂纹生成与扩展过程进行仿真分析，旨在为滚子轴承保持架结构设计提供科学依据与改进建议。

问题描述

滚子轴承在运行过程中，载荷的冲击特性显著，表现为短作用时间与大载荷幅值，这些特点加剧了滚动体与保持架之间的碰撞与摩擦情况，进而导致保持架横梁应力集中并产生裂纹。裂纹一旦产生，将随着时间的推移而扩展，降低轴承的性能与寿命。裂纹主要分布在保持架横梁的弯折部位，这对轴承的可靠服务和预期寿命构成威胁。

有限元建模与分析


XFEM原理与应用

扩展有限元方法（Extended Finite Element Method, XFEM）于1999年提出，是一种用于求解断裂力学问题的数值技术，支持界面、裂缝生长等不连续性问题。相比于常规有限元方法，XFEM的优势在于其网格不受结构内部几何或物理界面约束，无需在高度应变集中的区域进行高密度网格剖分，同时也避免了周期性的网格重新拆分。其核心在于改进单元的形状函数，以包含问题中的不连续性质，从而实现对裂纹的有效追踪并提供精准的结果预测。




模型介绍

本文采用扩展有限元方法构建滚子轴承保持架横梁的三维模型。保持架横梁设计长度为30毫米，宽度为2毫米，材料采用钢铁。通过ANSA软件创建保持架健康状态下的有限元模型，并利用ABAQUS导入模型，建模过程中的关键步骤包括：

材料定义和裂纹扩展属性定义。


载荷步定义以及裂纹区域、裂纹位置和裂纹Action的定义。


载荷与约束的定义。


模型求解过程。


结果分析

仿真结果揭示了裂纹在保持架横梁末端的生成与扩展过程，观察到裂纹深度从初始的0.45毫米开始，首先垂直于横梁表面发育，随后在载荷作用下的滚子轴承连续冲击下，裂纹方向以接近45度的角度偏斜扩展至横梁的另一面。通过裂纹状态图和statuxfem的分析，动态描绘了裂纹发展过程中的开裂状态与程度变化。

结论

滚子轴承保持架横梁在转动过程中，由于滚动体与保持架之间的相对滑转产生的冲击载荷，导致承载压力在具体区域显著集中，易于在横梁弯折位置诱发并扩展裂纹。本文通过建立保持架横梁的有限元模型并对裂纹衍生过程进行仿真分析，明确指出裂纹扩展时表现为45度角度的显著偏斜方向，并不断增大。其所得结论有力指导了滚子轴承保持架结构的设计与优化，提高了滚子轴承的工作效率和延长了使用寿命。在未来实践中，基于XFEM技术的分析方法可作为滚子轴承设计和改进的重要手段，有效降低保持架失效风险。

文献来源

本研究基于CAE技术交流平台，深入探讨了滾子轴承保持架横梁在转动过程中的应力集中效应及其对裂纹生成与扩展的机理，旨在提供实践指导并对未来滚子轴承设计提出创新见解。XFEM方法的应用在解决此类裂纹问题时展现了巨大潜力，为旋转机械轴承的可靠操作奠定了理论基础。