柔性轴承疲劳寿命ABAQUS-nCode仿真

关键词：柔性轴承 | ABAQUS | nCode-DesignLife | 疲劳寿命 | 谐波减速器

一、研究背景

谐波减速器是机器人关节的核心传动部件，柔性轴承作为其关键变形元件，直接决定了整机的工作性能与服役寿命。现有研究大多将柔性轴承与波发生器简化为刚性凸轮，忽略了内部多体接触状态和运动学特性——这一简化导致寿命预测结果偏离工程实际。Zhao等在IOP Conference Series: Materials Science and Engineering（2019）发表的这项工作中，以CSF_25_80型柔性轴承为对象，基于ABAQUS建立多体接触显式动力学模型，联合nCode-DesignLife进行全流程疲劳寿命仿真，首次完整量化了内外圈在不同失效机制下的寿命差异。我们对该方法进行了系统性复现评估。

图1 柔轮与柔性轴承的载荷分布模型：啮合力在长轴区域对称分布，环向分量qt与径向分量qr通过啮合角alpha关联

图2 柔性轴承简化加载模型：忽略偏载效应，载荷按cos(pi*phi/phi4)函数近似分布，跨度角phi4=120°

二、仿真方法

首先建立柔性轴承的载荷分析模型：根据谐波传动原理，柔轮与刚轮在长轴区域啮合并呈近似对称分布（包角2*phi3=phi2），啮合力环向分量qt通过傅里叶级数展开求取等效径向载荷qrh=qr_max*cos(pi*phi/phi4)，其中phi4=120度、qr_max由输出轴扭矩T确定。在此基础上建立CSF_25_80轴承全六面体网格显式动力学模型：内圈随椭圆凸轮轴旋转（1000r/min），外圈仅发生径向弹性变形，施加1000N径向载荷随轴旋转。模型经扫描映射法划分为全六面体单元，接触区域网格加密以提高求解精度。动力学求解完成后，导出内圈和外圈滚道的载荷谱——包括各节点在椭圆轴多圈旋转过程中的应力-时间历程和位移-时间历程——作为nCode-DesignLife的疲劳分析输入。材料为GCr15轴承钢，采用99%可靠度下的S-N曲线：lg(lambda)=43.3934-12.4999*lg(S)，其中lambda为循环断裂次数、S为循环应力。

图3 内外圈滚道沟底圆Y向位移分布曲线：长轴处径向变形最大、短轴处最小，内圈变形量略高于外圈

图4 23个滚动体的接触反力分布：13个受载，载荷关于椭圆轴短轴对称，长轴附近滚动体承担主要载荷

三、结果分析

位移分析结果显示：内外圈均在长轴处径向变形最大、短轴处最小；外圈节点位移呈规则余弦函数形式随时间变化——椭圆凸轮轴每旋转一周（0.06s到0.12s），外圈节点经历四次由-0.4mm至0.4mm的循环交替，证实外圈始终承受交变弯曲载荷。23个滚动体中13个受载，载荷分布关于短轴对称，长轴附近的滚动体承担主要载荷。应力演化曲线揭示：当长轴轴线经过外圈选定节点时（0.09/0.12/0.15/0.18s），变形与加载的联合作用导致应力急剧上升；内圈在滚珠经过节点位置时出现接触应力突变。疲劳损伤云图表明：内圈损伤集中在长轴与短轴附近的滚道表面，最危险节点N861损伤值2.799e-10；外圈内外表面均有显著损伤，最危险节点N1613损伤值1.38e-9——外圈损伤约为内圈的5倍。疲劳寿命云图确认：内圈最低寿命约3.573e9循环，外圈最低寿命约7.262e8循环，换算为规定工况下约24206.67小时。关键工程结论是外圈因同时承受接触疲劳与弯曲疲劳两种失效机制，在相同工况下先于内圈发生疲劳破坏。

图5 内外圈节点位移演化曲线：外圈节点位移呈规则余弦曲线，椭圆轴每旋转一周经历四次-0.4~0.4mm交替

图6 内外圈节点应力演化曲线：长轴通过时应力因变形与载荷叠加急剧增大，滚珠经过时接触应力突变

四、我们提供的服务

我们团队在轴承疲劳仿真与寿命评估领域积累了完整的工程实践经验，可提供以下服务：①基于ABAQUS的轴承（含柔性薄壁轴承、滚动轴承）多体接触显式/隐式动力学建模与求解，含网格划分策略（全六面体扫描/映射+接触区加密）、接触对定义、载荷与边界条件设置。②nCode-DesignLife全流程疲劳寿命分析：从ABAQUS计算结果中提取应力/应变载荷谱，导入nCode建立S-N或E-N分析流程，输出疲劳损伤云图与寿命分布。③谐波减速器柔性轴承专项仿真：含波发生器-柔性轴承-柔轮耦合建模、椭圆凸轮预变形加载、交变弯曲疲劳与接触疲劳联合评估。④轴承材料（GCr15/GCr15SiMn/渗碳钢/陶瓷等）的S-N曲线参数标定与多可靠度疲劳分析。⑤基于分析结果的轴承结构参数（壁厚、游隙、滚珠数量/直径）优化建议，支撑设计迭代降本增效。

图7 内圈（左）与外圈（右）疲劳损伤云图：内圈最大损伤在长轴滚道面N861节点(2.799e-10)，外圈N1613节点(1.38e-9)

图8 内圈（左）与外圈（右）疲劳寿命云图：最危险位置与最高损伤位置对应，外圈最低寿命(7.262e8循环)低于内圈(3.573e9)

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。