微裂纹扩展演变规律及其对滚动轴承使用寿命影响的仿真研究

发布时间：2020-05-09 20:00

【摘要】：滚动轴承具有结构简单,功耗小,摩擦力矩小,效率高,互换性好等优点,是轴和旋转构件的最重要支撑之一。但国产轴承在制造工艺及热处理等方面与国外相比还存在不少差距,为了揭示滚动轴承微裂纹扩展演变机制及其对轴承使用寿命的作用机理,本文以6008深沟球轴承为研究对象,基于ABAQUS平台开展研究,论文的主要研究工作和取得的成果如下:(1)以6008深沟球轴承为研究对象,为了分析其接触行为而在ABAQUS环境中建立了轴承的三维仿真模型,在不考虑微裂纹的情况下对轴承进行了静力学分析,结果表明滚动体与内环、外环接触部位的应力应变呈椭圆形的分布规律,最大等效应力和接触压应力出现在滚动体与内环外滚道接触部位且位于径向方向。同时,将最大接触压应力、应变的有限元分析解与赫兹理论计算结果进行了对比分析,验证了轴承三维仿真模型与有限元分析方法的有效性。(2)为了与滚动轴承微裂纹扩展后的使用寿命形成对比,将不考虑微裂纹的轴承静力学分析结果导入寿命分析软件nCode Design-Life中,计算得到轴承的最小使用寿命。同时,在McEvily公式、三维等效应力强度因子公式基础上,对微裂纹扩展后轴承的使用寿命公式进行推导,提出了改进的滚动轴承微裂纹扩展使用寿命计算式。(3)研究了轴承负载对微裂纹扩展路径演变和使用寿命的影响作用。结果表明,微裂纹同时沿着轴承的接触表面和法向三维自由扩展;随着径向载荷不断增大,微裂纹扩展速率不断增加,轴承使用寿命不断减小;轴承微裂纹扩展是由三种模式应力强度因子共同作用的结果,其中,微裂纹尖端的Ⅱ型损伤的影响作用最大,Ⅰ型次之,Ⅲ型损伤影响作用最小,这说明在微裂纹扩展过程中滑移型位移占主导作用,而张开型位移与撕开型位移起辅助作用。(4)以微裂纹的预制位置为变量,分析了微裂纹的扩展路径和计算了微裂纹尖端的应力强度因子。结果发现,微裂纹预制在内环滚道处时,滚道表面微裂纹的扩展路径总体呈现出“V”字型演变,且在轴承法向截面上分析出微裂纹扩展后发生了剥落,其微裂纹扩展速率最大,对应轴承使用寿命最小。当微裂纹预制在滚动体处时,相比于其它裂纹预制位置,其微裂纹扩展速率最小,对应轴承使用寿命最大,且通过对其法向截面上的分析,微裂纹扩展路径上的富集区单元发生了横向损伤,这种损伤有导致滚动体材料的发生剥落的趋势。因此,当内环滚道处存在微裂纹时会大幅度地降低轴承的使用寿命。
【图文】：

轴承,几何模型,几何参数,有效性研究

东华大学硕士学位论文第二章滚动轴承的有限元分析方法及其有效性研究一形成有限元分析模型，如图 2.1（b）所示。根据《轴承手册》[42]所记载的关于 6008深沟球轴承的尺寸数据，其基本几何参数如表 2-1 所示。表 2-1 6008 轴承的基本几何参数名称代号数值轴承直径（mm） D 68轴承内径（mm） d 40轴承宽度（mm） B 15滚珠直径（mm） DW7.938接触角（/°） α 0

轴承,边界条件,有限元模型,载荷

轴承进行有限元仿真时，要完全模拟轴承的实际工况结构模型的同时，只能选取关键的边界条件去模拟轴沟球轴承设定的运动方式为外环固定，内环随着主轴荷的作用。因此添加的边界为：1）在全局坐标系下约动自由度和转动自由度来模拟轴承座对轴承外环的固轴向是固定的，约束外圈侧面的轴向自由度，内环只允向的变形；3）为不影响轴承的泊松效应，对 1/8 轴承束；4）为模拟轴承保持架的作用，只允许滚珠在径向发和外环都存在接触，，以内环和外环的滚道为主表面，建立面对面接触对，在切向属性中设置接触摩擦系数触”并用增广拉格朗日子乘法增强接触模型的收敛性承工作时受到的交变载荷，为了在 ABAQUS 中模拟解析场的方式来添加正弦交变径向载荷。添加边界条型如图 2.2 所示。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.33

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