基于ANSYS的高速运动元件微损伤特性研究

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doi：10.3969/j.issn.2095-1248.2013.02.009Study on micro damage features of high-speedmotion element based on ANSYSWANG Qi，YI Lu-jun(Colege of Energy and Environment，Shenyang Aerospace University，Shenyang 1 10136)Abstract：Beating is the key components of aviation engine.The fatigue failure of aviation engine bearingoften arises from the micro injury of motor elements，including wear，fatigue and spaUing.Dynamic detectionand alarm of micro injury signals Can avoid the subsequent severe accidents efectively.Aimed at micro dam-age detection problem of the high·speed precision motion element，this paper uses the ANSYS model analysisand image recognition technology to explore the micro damage signal characteristics and identifcation meth-ods of high·speed rotating parts like bearings.By setting different work conditons to study the mi cro imagesof the wear grain size in oil of high-speed motion elements，the paper carries out researches on the chan ge ofdamage stress，by which the damage model is judged。

Key words：micro injury；fatigue failure；stress analysis航空发动机主轴轴承疲劳失效引起的故障危害极大，通过现有的状态监控手段很难提前有效预报，但航空发动机主轴轴承疲劳失效是航空发动机设计的关键技术，只有通过深入分析这些故障类型的发展规律和特征，研究出有针对性的微损伤检测与故障监控方法，才是提高发动机设计的可靠性，保证发动机安全工作的根本途径。

发动机磨屑机载监控、磨屑显微成像和识别、发动机高频振动监控和滑油成分分析等技术是发动机状态监控技术和视情维修技术的重要研究方向，但还没有触及轴承失效的根源。本文从轴承微损伤的检测识别着手，通过建立高速转动部件(高速滚子轴承)的动态热力学分析模型，分析其应力损伤状态；通过设定不同的工况条件，研究损伤应力变化，藉此判断损伤模式。

收稿日期：2012-12-20作者简介：王琦(1965-)，男，吉林梅河口人，教授，主要研究方向：环境管理、装备环境工程、环境污染与控制，E-mail：wqs423###vipsina.com o程- ～工蒜第2期 王 琦，等：基于ANSYS的高速运动元件微损伤特性研究 391 高速精密运动元件微损伤的应力模型研究1.1 轴承应力分析建模基本理论轴承工作时，通常是多个滚动体承受载荷，滚动体与内、外圈沟道的接触方式是点接触，接触区域小，接触应力大，在运转过程中，轴承内、外圈及滚动体在接触区内要发生塑性变形，产生残余应力。如图 1所示，外部的径向载荷为 F ，底部最大滚动体承载的载荷为 ， 为滚动体之间的夹角，根据 Stribeck的推导，F 与 之间的关系为： 2 co 2 cos2/3 - (1)、- - -- 、 ，- -FN(b)图 1 径 向载荷分 布比较各个钢球之间载荷的关系，确定外部径向载荷 F 与最大承载滚动体载荷 之间的关系 ：F ：旦 (2)Z -- I/l cosB式(2)中，z为滚动体个数； 为承载时的接触角。

当轴承游隙为零时，在不考虑转速所引起的离心力效应的情况下，轴承的接触角 为0，(2)式简化为：5F。

FN (3)在径向载荷 FⅣ的作用下接触，当载荷 F 为0时，点接触，当载荷逐渐增大时，接触区域变化成椭圆。根据赫兹理论，深沟球轴承的接触应力为：P 1×3√(∑p) F，v (4)式中，P。、 分别为赫兹接触系数；∑P为主曲率的和。

1.2 前处理过程根据 6201轴承实际尺寸计算出轴承内、外圈关键点、中心圆等坐标，然后利用 ANSYS软件界面操作或其 APDL参数化编程语言建出几何模型。轴承单元类型采用 10节点 SOLIDI85单元，材料属性中弹性摩量 E取 2.1 X 10 MPa，泊松比取0.3，对实体模型进行网格划分，并对可能的接触区域进行细化，由于轴承的对称性及承载特性，对轴承取左部分 1/2进行有限元分析。如图2所示。

alysis ofbearing 620 1(standard)图2 6201轴承的三维几何模型1.3 材料参数的确定由于轴承塑性变形很小，因此将轴承内外圈和滚动体均设为线弹性材料。在仿真模型中，假设内外圈和滚动体材料为 GCrl5钢，其密度为7 830 kg/m ，弹性模量为 2.06×el1Pa，泊松比为0.3；保持架材料为冷轧钢板，密度为7 830 kg/m，弹性模量为 I.96 XellPa，泊松比为0.24。

1.4 边界条件轴承的内圈滚道、外圈滚道与滚动体之间的接触为柔体 -柔体接触，以外圈滚道表面和内圈滚道表面作为目标面，滚动体表面作为接触面。

各个接触对中参数赋值如下：滚动体与内、外圈滚道的摩擦因数 MU0.003，法 向接触刚度因子FKN0.1，初始靠近因子 ICONT0.01。轴承外圈的外表面位移约束：中性面赤道线上所有节点的周向(uY)和轴向(UZ)位移；轴承圈体的侧面约束其 UZ向的位移；径向节点施加径向力，其施加形式为径向力平均到直线上每个节点，直接在 UX方向加载；在笛卡尔z轴施加实际角速度。

1.5 分析结果轴承分析结果见以下图：从以上分析可以得出，6201轴承内圈接触应力最大值 2 245 MPa，最大接触应变 0.012。外圈接触应力最大值为 1 693 MPa，最大接触应变0.008。从分析结果中还可测量出接触尺寸，其中内圈接触长 2.47 inin，短轴 0.183 mil，外圈接触长轴 1.8mm，短轴 0.37mm。大部分区域在载荷作用下应力不大。钢球与外圈接触最大应力为第2期 侯 占峰，等：基于ADAMS的角度疲劳试验机系统运动学仿真 45提出-种适用于推力轴承的角度疲劳试验机设计方案，通过对疲劳试验机的设计原理、设计方案分析以及试验机的工作过程仿真模拟研究，建立推力轴承角度试验机的三维模型，运用运动学仿真软件 ADAMS对角度疲劳试验机的加载部分和摆动部分进行了动力学仿真。动力学仿真的后处理功能输出角度 -时间曲线、角速度 -时问曲线，角加速度 -时间曲线，为疲劳试验机的结构设计及优化提供-定的理论参考。