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      基于MSC.Dytran 的關(guān)節(jié)軸承脫出力分析

      2021-01-14 12:54:02黨曉娟
      裝備制造技術(shù) 2020年8期
      關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)軸承收口外徑

      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)。

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