基于MSC.Dytran 的关节轴承脱出力分析

党晓娟

(航空工业西飞，西安710089)

0 引言

关节轴承按照受力方向一般分为向心、 角接触、推力三种关节轴承，常用于低速摆动、倾斜和旋转运动的结构［1-2］。某悬挂结构向心关节轴承接连发生沿轴向脱出故障，故障发生后，复查制造符合性均满足相关要求，故障件化学分析确认用料正确，金相检查未发现缺陷，断口分析发现，均为过载脱出。查阅了相关资料，给出的向心关节轴承脱出力普遍偏小，不能真实的反应出故障发生时关节轴承轴向力的大小。

为了快速的获取故障发生时关节轴承轴向轴向脱出力，掌握仿真分析方法，为后续改进及类似结构设计做基础，本文采用有限元非线性瞬态分析软件MSC.Dytran 对两种不同材料壳体的向心关节轴承进行了轴向脱出力仿真分析，并与试验进行了对比，验证了仿真方法的可行性。

1 结构简介

悬挂结构通过两点与本体结构相连接，前接头为主承力点，通过螺栓连接，后接头为辅助承力点，通过旋转接头、向心关节轴承铰接，旋转接头上点可绕任意方向转动，下点可绕航向轴转动，释放了航向和侧向的自由度，发生故障的关节轴承固定于后接头上，后接头主要承受垂向以及侧向载荷以及一定的航向载荷，结构示意图见图1～图2。

图1 悬挂系统示意图

图2 关节轴承示意图

关节轴承采用《轴承的安装与固定》［3］中滚压收口的方式进行固定，如图3 所示。

图3 轴承滚压收口示意图

2 有限元计算

关节轴承轴向脱出力分析包含大变形，材料非线性，接触非线性，对此类问题常采用MSC.Dytran 显示积分算法来求解［4-5］。

2.1 模型简化

轴承在实际工作状态下，主要承受垂向、侧向载荷以及一定的航向载荷，航向载荷使轴承脱出接头。航向载荷直接作用于轴承内径，通过内外径之间的接触将航向载荷传递给轴承外径，轴承外径挤压壳体收口区，当挤压载荷较大时，收口区破坏，轴承脱出壳体。

通过MSC.Dytran 软件进行关节轴承脱出力分析，假设航向载荷均匀作用于轴承外径，建立有限元模型，将壳体简化圆环，关节轴承仅建出轴承外径，壳体及关节轴承均简化为体单元，有限元模型见图4。壳体材料选用分段线性塑性材料卡DYMAT24 定义，在壳体下表面进行约束；轴承材料采用弹性材料卡DMATEL 定义，在轴承外径上表面定义均匀向下的压力，同时定义轴承与壳体的接触关系，如图5 所示。

图4 有限元模型

图5 模型约束及加载示意图

本文共分析两种不同材料的壳体，分别为铝合金LD10 及合金钢30CrMnSiA，材料性能数据取自《工程实用材料手册》，壳体及轴承剖面典型形式如图 6 所示。

图6 轴承示意图(深灰为轴承，浅灰为壳体)

2.2 仿真结果

2.2.1 LD10 壳体仿真结果

接触载荷计算结果见图 7，由图中曲线可以看出，在轴压载荷作用下，滚压收口部位受到轴承外径剪切载荷作用，当剪切载荷作用达到16 586 N 时，收口部位出现局部破坏，随着不断压缩，收口部位破坏逐渐加大，最终破坏，壳体破坏的应力云图见图8。

图7 接触载荷时间历程曲线

图8 LD10 壳体应力云图

2.2.2 30CrMnSiA 壳体仿真结果

接触载荷计算结果见图 9，由图中曲线可以看出，在轴压载荷作用下，滚压收口部位受到轴承外径剪切载荷作用，当剪切载荷作用达到33 786 N 时，收口部位出现局部破坏，随着不断压缩，收口部位破坏逐渐加大，最终破坏模，壳体破坏的应力云图图10。

图9 接触载荷时间历程曲线

图10 30CrMnSiA 壳体应力云图

3 试验验证

为了验证计算的可行性，分别进行了两组不同材料壳体关节轴承的脱出力试验，每组10 个试验件，试验方法参考《轴承的安装与固定》［3］进行，试验示意图见图11，试验结果见表1。

图11 试验示意图

表1 试验结果

从试验数据可以得出：

(a)壳体材料为30CrMnSiA 的平均压出力为38.22 kN；

(b)壳体材料为LD10 的平均压出力为18.01 kN；

(c)有限元仿真结果比试验的压出力分别小11%，8%。

因为模型简化以及仿真分析以材料的下限作为输入条件等因素影响，仿真分析与试验结果存在误差是必然的。从上述的数据可以看出，仿真分析的结果均小于试验结果，与试验结果最大相差11%，验证了仿真分析是偏保守的，用于工程实际中是可行的。

4 结束语

本文采用MSC.Dytran 软件对关节轴承的脱出力进行仿真分析，并与试验结果进行对比分析，验证了计算方法的可行性，为类似结构的设计提供了设计依据。