基于ANSYS的軸承座結(jié)構(gòu)分析

1、ANSYS及其應(yīng)用考核大作業(yè)-軸承座結(jié)構(gòu)分析姓名：夏洪峰 學(xué)號(hào)： 20090381按圖1尺寸建立軸承座的實(shí)體模型（因結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱(chēng)性，只建立了一半模型），盡量采用六面體網(wǎng)格劃分軸承座的單元，軸承座在下半孔面上作用正弦徑向壓力載荷P1，P1=P0sin，式中P0=2FrFr為徑向合力，r為軸承孔半徑，b為軸承孔厚度），軸向均布?jí)毫d荷P2，P2=0.2P0。rb徑向合力Fr取值：（10+學(xué)號(hào)最后一位數(shù)字）×1000N。要求按小論文格式寫(xiě)：（1） 建模過(guò)程。簡(jiǎn)單敘述；（2） 網(wǎng)格劃分。簡(jiǎn)單敘述，列出分割后的實(shí)體圖和網(wǎng)格圖，并說(shuō)明單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)；（3） 加載過(guò)程。詳細(xì)敘述加載部位和加載過(guò)程

2、（附圖）；（4） 計(jì)算結(jié)果。列出米塞斯等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和變形圖，并進(jìn)行強(qiáng)度分析；（5） 學(xué)習(xí)體會(huì)；第15周周一統(tǒng)一上交報(bào)告。 （孔到兩邊線距離均為15mm） P1P2- 1 -一、 有限元單元法與ANSYS簡(jiǎn)介有限元法是將連續(xù)體或結(jié)構(gòu)先人為地分割成許多單元，并認(rèn)為單元與單元之間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)，力也只通過(guò)節(jié)點(diǎn)作用。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分片近似的思想，假定單元位移函數(shù)，利用力學(xué)原理推導(dǎo)建立每個(gè)單元的平衡方程組，再將所有單元的方程組，組織集成表示整個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的代數(shù)方程組，并引入邊界條件求解。應(yīng)用有限元法求解彈塑性問(wèn)題的分析過(guò)程包括結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析和弓入邊界條件、求解方程四個(gè)步驟：A

3、NSYS軟件是由美國(guó)的John Swanson博士和Swanson分析系統(tǒng)公司(SASI)開(kāi)發(fā)出的，一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的、集設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化功能于一體的大型通用有限元軟件包，它將有限元分析計(jì)算機(jī)圖學(xué)、可靠性技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體，可廣泛用于機(jī)械制造、航空航天、鐵道、輕工，生物醫(yī)學(xué)等的科學(xué)研究的大型通用商業(yè)軟件。ANSYS軟件具有很強(qiáng)的硬件平臺(tái)適應(yīng)性，可以在PC機(jī)到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)上運(yùn)行。ANSYS有限元程序不僅能夠分析已有結(jié)構(gòu)在各種工況下的工作狀況，而且還可以進(jìn)行特定條件下的合理性設(shè)計(jì)。用它可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、模態(tài)分析，磁場(chǎng)分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析以及優(yōu)

4、化分析。另外，ANSYS可以與許多先進(jìn)的CAD軟件共享資源，使用戶(hù)在CAE過(guò)程中避免重復(fù)建模。二、 實(shí)體模型的建立建立實(shí)體模型可以通過(guò)自上而下和自下而上兩個(gè)途徑：1自上而下建模，首先要建立體（或面），對(duì)這些體或面按一定規(guī)則組合得到最終需要的形狀2自下而上建模，首先要建立關(guān)鍵點(diǎn)，有這些點(diǎn)建立線、有線連成面等。 一般建模原則是充分利用對(duì)稱(chēng)性，合理考慮細(xì)節(jié)。根據(jù)圖1的軸承座實(shí)例，由于軸承座具有對(duì)稱(chēng)性，只需要建立軸承座的半個(gè)對(duì)稱(chēng)實(shí)體模型，再進(jìn)行鏡像操作即可。采用自上而下的建模方法得到如下圖2所示的三維實(shí)體模型：圖2 軸承座實(shí)體模型的建立 - 2 -三、 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又時(shí)候好

5、的網(wǎng)格劃分不僅可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，而且往往是求解成功的鑰匙。劃分網(wǎng)格一般包括以下三個(gè)步驟：定義單元屬性（TYPE、REAL、MAT）、制定網(wǎng)格的控制參數(shù)、生成網(wǎng)格。為了精確揭示軸承座的應(yīng)力、變形情況，建模時(shí)考慮到軸承座的對(duì)稱(chēng)剖分式，它的具體結(jié)構(gòu)和載荷具有對(duì)稱(chēng)性，因此我們?nèi)∫粋€(gè)軸承座的一半進(jìn)行分析。在進(jìn)行劃分網(wǎng)格時(shí)，單元類(lèi)型采用20節(jié)點(diǎn)SOLID95六面體單元，使用掃掠網(wǎng)格對(duì)體進(jìn)行劃分，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行控制，使那些不能進(jìn)行掃掠的部分實(shí)體自動(dòng)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。具體步驟如下：1、單元類(lèi)型選擇：由于對(duì)軸承座是進(jìn)行三維實(shí)體的結(jié)構(gòu)分析，故選擇20節(jié)點(diǎn)的Solid 95單元，該單元類(lèi)型能夠用于不規(guī)則形狀，

6、而且不會(huì)在精度上有任何損失。它由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度：x，y，z方向。2、制定材料屬性：指定線彈性材料的彈性模量EX=2.07e11 Pa，泊松比PRXY=0.3；3、進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分：為了進(jìn)行掃掠網(wǎng)格化分，需要將基座剖分為兩部分，并且激活“tet-mesh”，保留滑標(biāo)值為4，并將全部單元尺寸設(shè)置為SIZE=2，最后分別自下而上拾取體完成掃掠網(wǎng)格的劃分。得到掃掠網(wǎng)格如下圖3所示，得到的軸承座有限元模型的總單元數(shù)為22327個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為64697個(gè)。圖3 掃掠網(wǎng)格的劃分- 3 -四、 軸承座載荷的施加1、根據(jù)已知條件有：軸承孔所受到的徑向合力Fr=（10+1）×1000

7、N=11000N；軸承孔半徑r=17mm；軸承孔厚度b=13mm；由于我們只截取一半模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，故半個(gè)軸承座孔的徑向均布載荷P0=2Fr2×11000=3.1687×107Pa，而實(shí)際情況軸承孔所受并非均布載荷，軸=rb0.017×0.013承孔最下部分受載荷最大，左右兩腰部分所收載荷最小幾乎為零，即軸承座孔面上所受載荷為非線性的。故，我們將它近似為正弦徑向壓力載荷P1，即P1=P0sin。軸向均布?jí)毫d荷P2=0.2P0=6.3374×106Pa。2、軸承座的約束情況：根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和安裝情況，軸承座是靠底座的四個(gè)螺栓孔與安裝基座相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)固定的

8、，此處為剛性約束，可以在其孔面上施加限制X、Z方向的對(duì)稱(chēng)約束，而在底面邊線上施加Y方向位移為零的約束。這樣與實(shí)際情況基本相符。3、具體模型加載步驟如下：(1) 約束兩個(gè)安裝孔依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement >SymmetryB.C.-On Areas，拾取兩個(gè)安裝孔的4個(gè)柱面，單擊OK。(2) 在基座底部施加位移約束方法一：底部邊線上施加依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement &

9、gt;On Lines，拾取基座底座的三條外邊界線，單擊OK。選擇UY作為約束自由度，單擊OK。方法二：基座底面上施加依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement >On Areas，拾取基座底部的兩個(gè)面，單擊OK。選擇UY作為約束自由度，單擊OK。(3) 在X=0的所有表面上施加對(duì)稱(chēng)約束邊界條件由于我們的分析是局限于一半模型，故在剖分面還需要施加對(duì)稱(chēng)約束邊界條件，依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displac

10、ement >Symmetry B.C.-On Areas，拾取剖分面上的三個(gè)面，單擊OK。(4) 在軸承孔圓周上施加軸向壓力載荷依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Pressure >On Areas，拾取軸承孔側(cè)邊的高度為“3”的兩個(gè)豎直面，單擊OK，輸入面上的壓力值“6.3374e6”，單擊OK。(5) 用箭頭顯示壓力值依次選擇Utility Menu >PlotCtrls >Structure-Pressure >On Areas，將“Show pres and convert

11、 as”選擇為“Arrows”，單擊OK。- 4 -(6) 在軸承孔的下半部分施加正弦徑向壓力載荷（這個(gè)載荷的施加，這里用命令流比較方便）首先將工作平面移到軸承孔軸線上任一位置，并使WZ方向與軸線方向一致，然后新建代號(hào)為11的局部柱坐標(biāo)系，并將它激活。正弦徑向壓力載荷的加載由以下命令流完成：asel,s,22nsla,s,1nsel,r,loc,y,180,270p0=3.1687e7cm,ncmp,nodeCmsel,s,ncmp*get,nmax,node,num,max,*get,nmin,node,num,min,*afun,deg*dim,p1,array,nmax,1,1,*do,

12、k,nmin,nmax*if,nsel(k),eq,1,thenp1(k)=p0*sin(ny(k)-180) !p0=2*fr/(pi*r*b),fr為徑向合力*elsep1(k)=0*endif*enddosffun,pres,p1(1)sf,all,pres,0alls最終的到的模型加載如下圖4所示：圖4 實(shí)體模型加載- 5 -五、 求解及結(jié)果分析1、模型求解對(duì)模型進(jìn)行求解，執(zhí)行Main Menu >Solution >Solve >Current LS命令，單擊OK，等待運(yùn)算，直到出現(xiàn)“Solution is done”完成求解運(yùn)算。2、軸承座的應(yīng)力分析將結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展

13、，得到整個(gè)模型的結(jié)果顯示圖。對(duì)于方法一中在底座邊線上施加UY約束，可得軸承座的第一主應(yīng)力見(jiàn)圖5，軸承座的第一主應(yīng)力基本都是壓應(yīng)力，即1<0，最大處為33.1MPa；只在兩塊腹板及底座內(nèi)側(cè)邊緣等幾處表現(xiàn)為拉應(yīng)力1>0。圖5 底面邊線位移約束的 第一主應(yīng)力分布從第一主應(yīng)力圖可看出軸承座大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值在0.77MPa17MPa之間，而在兩塊腹板與套筒托架相連處有應(yīng)力集中，其值為113MPa，至于底座后端出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力（如圖5左所示）主要由軸承座Y方向的自由度約束是加載在底面邊線 - 6 -上造成的。如果將底面線上約束改為底座面約束會(huì)發(fā)現(xiàn)效果明顯改觀，如下圖6所示：圖6 底

14、座面上位移約束的第一主應(yīng)力分布而此時(shí)較大拉應(yīng)力只出現(xiàn)在兩腹板上，應(yīng)力集中為107MPa，較前者小一些，而且這樣處理更符合實(shí)際一些，除兩腹板與套筒托架相連處較大外（最大107MPa），其他部分第一主應(yīng)力在10.233.6MPa之間。以下就以方法二在底座面上約束UY得到的結(jié)果進(jìn)行分析。3、等效應(yīng)力eqv分布：如圖7為軸承座的等效應(yīng)力圖，軸承座的等效應(yīng)力最大值為95.3MPa，小于軸承座第一主應(yīng)力107MPa，所以應(yīng)該用第一主應(yīng)力作為軸承座強(qiáng)度校核的應(yīng)力，采用第一主 - 7 -應(yīng)力強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。圖7 軸承座等效應(yīng)力圖4、軸承座變形分析如圖8， 9， 10，11分別是軸承座，X方向、Y方向、Z方向

15、和軸承座的總位移圖。從這幾幅圖中可以清楚地看出軸承座的變形規(guī)律：軸承座的位移變形主要發(fā)生在基座以上部分，而z方向的變形比較大。圖8 軸承座X方向變形 - 8 -圖9 軸承座Y方向變形 圖10 軸承座Z方向變- 9 -圖11 軸承座 總位移圖六、 學(xué)習(xí)體會(huì)相對(duì)于其他應(yīng)用型軟件而言，ANSYS作為大型權(quán)威性的有限元分析軟件，對(duì)提高解決問(wèn)題的能力是一個(gè)全面的鍛煉過(guò)程，是一門(mén)相當(dāng)難學(xué)的軟件。在剛開(kāi)始接觸的時(shí)候會(huì)感到無(wú)從下手，照著書(shū)本上的例子做也是云里霧里不知所云，但多花點(diǎn)時(shí)間練習(xí)后漸漸有了些眉目，知道了該如何去學(xué)它，也逐漸有了學(xué)習(xí)ANSYS的興趣。我認(rèn)為要學(xué)好ANSYS，就要對(duì)自己提出很高的要求，一方

16、面，需要學(xué)習(xí)者有比較扎實(shí)的力學(xué)理論基礎(chǔ)，對(duì)ANSYS分析結(jié)果能有個(gè)比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和判斷，可以說(shuō)，理論水平的高低在很大程度上決定了ANSYS使用水平；另一方面，需要學(xué)習(xí)者不斷摸索出軟件的使用經(jīng)驗(yàn)不斷總結(jié)以提高解決問(wèn)題的效率。在學(xué)ANSYS時(shí)，以前學(xué)的很多基本概念和力學(xué)理論知識(shí)都忘得差不多了，因而遇到有一定理論難度的問(wèn)題可能很難下手，特別是對(duì)結(jié)果的分析，需要用到材料力學(xué)和彈性力學(xué)里面的知識(shí)進(jìn)行理論上的判斷，所以在這種情況下，復(fù)習(xí)一下材料力學(xué)，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)，加深對(duì)基本概念的理解是非常有必要的，實(shí)際上，適當(dāng)?shù)膹?fù)習(xí)并不要花很多時(shí)間，效果卻很明顯，不僅能勾起對(duì)已學(xué)知識(shí)的回憶，還能加深理解，使遇到的問(wèn)

17、題得到順利的解決。 同時(shí)，作為工科學(xué)生，我們 還要加強(qiáng)自己的建模能力，有意識(shí)的去訓(xùn)練自己的建模思想和技巧，這就要求我們多做練習(xí)，反復(fù)訓(xùn)練才能熟練并理解的較為深刻，從而才能起到舉一反三的功效。再者，我們要多問(wèn)問(wèn)題多積累經(jīng)驗(yàn)。學(xué)習(xí)ANSYS的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)不斷解決問(wèn)題的過(guò)程，問(wèn)題遇到的越多，解決的越多，實(shí)際運(yùn)用ANNSYS的能力才會(huì)越高。對(duì)于- 10 -初學(xué)者，必將會(huì)遇到許許多多的問(wèn)題，對(duì)遇到的問(wèn)題最好能記下來(lái)，認(rèn)真思考，逐個(gè)解決，積累經(jīng)驗(yàn)。只有這樣才會(huì)印象深刻，避免以后犯類(lèi)似的錯(cuò)誤，即使遇到也能很快解決。比如，我在做這個(gè)題目的時(shí)候?qū)W(wǎng)格劃分和加載這兩塊就困惑過(guò)的，為了劃分成六面體，對(duì)單元類(lèi)型的選擇及劃分方法感覺(jué)有些茫然，查資料后發(fā)現(xiàn)別人用Solid95單元，但我對(duì)不理解，甚至對(duì)單元究竟應(yīng)如何選擇義務(wù)所知，后來(lái)問(wèn)老師查資料漸漸明白了，還學(xué)會(huì)了掃掠網(wǎng)格劃分。在自學(xué)的過(guò)程中學(xué)會(huì)使用Help也非常重要。對(duì)于照著書(shū)本上做練習(xí)，對(duì)初學(xué)者是有必要的，但是我覺(jué)得照著書(shū)上練習(xí)很難理解為什么要這么做，因此，盡管做出來(lái)了，但以后遇到類(lèi)似問(wèn)題可能還是不知道。所以我們你需要的是對(duì)整個(gè)分析過(guò)程的獨(dú)立思考