基于MSC.Dytran 的關節軸承脫出力分析

黨曉娟

(航空工業西飛，西安710089)

0 引言

關節軸承按照受力方向一般分為向心、 角接觸、推力三種關節軸承，常用于低速擺動、傾斜和旋轉運動的結構［1-2］。某懸掛結構向心關節軸承接連發生沿軸向脫出故障，故障發生后，復查制造符合性均滿足相關要求，故障件化學分析確認用料正確，金相檢查未發現缺陷，斷口分析發現，均為過載脫出。查閱了相關資料，給出的向心關節軸承脫出力普遍偏小，不能真實的反應出故障發生時關節軸承軸向力的大小。

為了快速的獲取故障發生時關節軸承軸向軸向脫出力，掌握仿真分析方法，為后續改進及類似結構設計做基礎，本文采用有限元非線性瞬態分析軟件MSC.Dytran 對兩種不同材料殼體的向心關節軸承進行了軸向脫出力仿真分析，并與試驗進行了對比，驗證了仿真方法的可行性。

1 結構簡介

懸掛結構通過兩點與本體結構相連接，前接頭為主承力點，通過螺栓連接，后接頭為輔助承力點，通過旋轉接頭、向心關節軸承鉸接，旋轉接頭上點可繞任意方向轉動，下點可繞航向軸轉動，釋放了航向和側向的自由度，發生故障的關節軸承固定于后接頭上，后接頭主要承受垂向以及側向載荷以及一定的航向載荷，結構示意圖見圖1～圖2。

圖1 懸掛系統示意圖

圖2 關節軸承示意圖

關節軸承采用《軸承的安裝與固定》［3］中滾壓收口的方式進行固定，如圖3 所示。

圖3 軸承滾壓收口示意圖

2 有限元計算

關節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下，主要承受垂向、側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徑，通過內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，當擠壓載荷較大時，收口區破壞，軸承脫出殼體。

通過MSC.Dytran 軟件進行關節軸承脫出力分析，假設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，關節軸承僅建出軸承外徑，殼體及關節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，材料性能數據取自《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 仿真結果

2.2.1 LD10 殼體仿真結果

接觸載荷計算結果見圖 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，當剪切載荷作用達到16 586 N 時，收口部位出現局部破壞，隨著不斷壓縮，收口部位破壞逐漸加大，最終破壞，殼體破壞的應力云圖見圖8。

圖7 接觸載荷時間歷程曲線

圖8 LD10 殼體應力云圖

2.2.2 30CrMnSiA 殼體仿真結果

接觸載荷計算結果見圖 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，當剪切載荷作用達到33 786 N 時，收口部位出現局部破壞，隨著不斷壓縮，收口部位破壞逐漸加大，最終破壞模，殼體破壞的應力云圖圖10。

圖9 接觸載荷時間歷程曲線

圖10 30CrMnSiA 殼體應力云圖

3 試驗驗證

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

圖11 試驗示意圖

表1 試驗結果

從試驗數據可以得出：

(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，仿真分析與試驗結果存在誤差是必然的。從上述的數據可以看出，仿真分析的結果均小于試驗結果，與試驗結果最大相差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 結束語

本文采用MSC.Dytran 軟件對關節軸承的脫出力進行仿真分析，并與試驗結果進行對比分析，驗證了計算方法的可行性，為類似結構的設計提供了設計依據。