基于MSC.Dytran 的關(guān)節(jié)軸承脫出力分析

黨曉娟

(航空工業(yè)西飛，西安710089)

0 引言

關(guān)節(jié)軸承按照受力方向一般分為向心、 角接觸、推力三種關(guān)節(jié)軸承，常用于低速擺動、傾斜和旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)［1-2］。某懸掛結(jié)構(gòu)向心關(guān)節(jié)軸承接連發(fā)生沿軸向脫出故障，故障發(fā)生后，復(fù)查制造符合性均滿足相關(guān)要求，故障件化學(xué)分析確認(rèn)用料正確，金相檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷，斷口分析發(fā)現(xiàn)，均為過載脫出。查閱了相關(guān)資料，給出的向心關(guān)節(jié)軸承脫出力普遍偏小，不能真實的反應(yīng)出故障發(fā)生時關(guān)節(jié)軸承軸向力的大小。

為了快速的獲取故障發(fā)生時關(guān)節(jié)軸承軸向軸向脫出力，掌握仿真分析方法，為后續(xù)改進(jìn)及類似結(jié)構(gòu)設(shè)計做基礎(chǔ)，本文采用有限元非線性瞬態(tài)分析軟件MSC.Dytran 對兩種不同材料殼體的向心關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了軸向脫出力仿真分析，并與試驗進(jìn)行了對比，驗證了仿真方法的可行性。

1 結(jié)構(gòu)簡介

懸掛結(jié)構(gòu)通過兩點與本體結(jié)構(gòu)相連接，前接頭為主承力點，通過螺栓連接，后接頭為輔助承力點，通過旋轉(zhuǎn)接頭、向心關(guān)節(jié)軸承鉸接，旋轉(zhuǎn)接頭上點可繞任意方向轉(zhuǎn)動，下點可繞航向軸轉(zhuǎn)動，釋放了航向和側(cè)向的自由度，發(fā)生故障的關(guān)節(jié)軸承固定于后接頭上，后接頭主要承受垂向以及側(cè)向載荷以及一定的航向載荷，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～圖2。

圖1 懸掛系統(tǒng)示意圖

圖2 關(guān)節(jié)軸承示意圖

關(guān)節(jié)軸承采用《軸承的安裝與固定》［3］中滾壓收口的方式進(jìn)行固定，如圖3 所示。

圖3 軸承滾壓收口示意圖

2 有限元計算

關(guān)節(jié)軸承軸向脫出力分析包含大變形，材料非線性，接觸非線性，對此類問題常采用MSC.Dytran 顯示積分算法來求解［4-5］。

2.1 模型簡化

軸承在實際工作狀態(tài)下，主要承受垂向、側(cè)向載荷以及一定的航向載荷，航向載荷使軸承脫出接頭。航向載荷直接作用于軸承內(nèi)徑，通過內(nèi)外徑之間的接觸將航向載荷傳遞給軸承外徑，軸承外徑擠壓殼體收口區(qū)，當(dāng)擠壓載荷較大時，收口區(qū)破壞，軸承脫出殼體。

通過MSC.Dytran 軟件進(jìn)行關(guān)節(jié)軸承脫出力分析，假設(shè)航向載荷均勻作用于軸承外徑，建立有限元模型，將殼體簡化圓環(huán)，關(guān)節(jié)軸承僅建出軸承外徑，殼體及關(guān)節(jié)軸承均簡化為體單元，有限元模型見圖4。殼體材料選用分段線性塑性材料卡DYMAT24 定義，在殼體下表面進(jìn)行約束；軸承材料采用彈性材料卡DMATEL 定義，在軸承外徑上表面定義均勻向下的壓力，同時定義軸承與殼體的接觸關(guān)系，如圖5 所示。

圖4 有限元模型

圖5 模型約束及加載示意圖

本文共分析兩種不同材料的殼體，分別為鋁合金LD10 及合金鋼30CrMnSiA，材料性能數(shù)據(jù)取自《工程實用材料手冊》，殼體及軸承剖面典型形式如圖 6 所示。

圖6 軸承示意圖(深灰為軸承，淺灰為殼體)

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 LD10 殼體仿真結(jié)果

接觸載荷計算結(jié)果見圖 7，由圖中曲線可以看出，在軸壓載荷作用下，滾壓收口部位受到軸承外徑剪切載荷作用，當(dāng)剪切載荷作用達(dá)到16 586 N 時，收口部位出現(xiàn)局部破壞，隨著不斷壓縮，收口部位破壞逐漸加大，最終破壞，殼體破壞的應(yīng)力云圖見圖8。

圖7 接觸載荷時間歷程曲線

圖8 LD10 殼體應(yīng)力云圖

2.2.2 30CrMnSiA 殼體仿真結(jié)果

接觸載荷計算結(jié)果見圖 9，由圖中曲線可以看出，在軸壓載荷作用下，滾壓收口部位受到軸承外徑剪切載荷作用，當(dāng)剪切載荷作用達(dá)到33 786 N 時，收口部位出現(xiàn)局部破壞，隨著不斷壓縮，收口部位破壞逐漸加大，最終破壞模，殼體破壞的應(yīng)力云圖圖10。

圖9 接觸載荷時間歷程曲線

圖10 30CrMnSiA 殼體應(yīng)力云圖

3 試驗驗證

為了驗證計算的可行性，分別進(jìn)行了兩組不同材料殼體關(guān)節(jié)軸承的脫出力試驗，每組10 個試驗件，試驗方法參考《軸承的安裝與固定》［3］進(jìn)行，試驗示意圖見圖11，試驗結(jié)果見表1。

圖11 試驗示意圖

表1 試驗結(jié)果

從試驗數(shù)據(jù)可以得出：

(a)殼體材料為30CrMnSiA 的平均壓出力為38.22 kN；

(b)殼體材料為LD10 的平均壓出力為18.01 kN；

(c)有限元仿真結(jié)果比試驗的壓出力分別小11%，8%。

因為模型簡化以及仿真分析以材料的下限作為輸入條件等因素影響，仿真分析與試驗結(jié)果存在誤差是必然的。從上述的數(shù)據(jù)可以看出，仿真分析的結(jié)果均小于試驗結(jié)果，與試驗結(jié)果最大相差11%，驗證了仿真分析是偏保守的，用于工程實際中是可行的。

4 結(jié)束語

本文采用MSC.Dytran 軟件對關(guān)節(jié)軸承的脫出力進(jìn)行仿真分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了計算方法的可行性，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。