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： 20090381按圖1尺寸建立軸承座的實體模型（因結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，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），軸向均布壓力載荷P2，P2=0.2P0。rb徑向合力Fr取值：（10+學(xué)號最后一位數(shù)字）×1000N。要求按小論文格式寫：（1） 建模過程。簡單敘述；（2） 網(wǎng)格劃分。簡單敘述，列出分割后的實體圖和網(wǎng)格圖，并說明單元和節(jié)點數(shù)；（3） 加載過程。詳細敘述加載部位和加載過程

2、（附圖）；（4） 計算結(jié)果。列出米塞斯等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和變形圖，并進行強度分析；（5） 學(xué)習(xí)體會；第15周周一統(tǒng)一上交報告。 （孔到兩邊線距離均為15mm） P1P2- 1 -一、 有限元單元法與ANSYS簡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，并認為單元與單元之間只通過節(jié)點聯(lián)結(jié)，力也只通過節(jié)點作用。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題的分析過程包括結(jié)構(gòu)離散化、單元分析、整體分析和弓入邊界條件、求解方程四個步驟：A

3、NSYS軟件是由美國的John Swanson博士和Swanson分析系統(tǒng)公司(SASI)開發(fā)出的，一個功能強大靈活的、集設(shè)計分析及優(yōu)化功能于一體的大型通用有限元軟件包，它將有限元分析計算機圖學(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軟件具有很強的硬件平臺適應(yīng)性，可以在PC機到巨型機的所有硬件平臺上運行。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，而且還可以進行特定條件下的合理性設(shè)計。用它可以進行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、模態(tài)分析，磁場分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析以及優(yōu)

4、化分析。另外，ANSYS可以與許多先進的CAD軟件共享資源，使用戶在CAE過程中避免重復(fù)建模。二、 實體模型的建立建立實體模型可以通過自上而下和自下而上兩個途徑：1自上而下建模，首先要建立體（或面），對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，有這些點建立線、有線連成面等。 一般建模原則是充分利用對稱性，合理考慮細節(jié)。根據(jù)圖1的軸承座實例，由于軸承座具有對稱性，只需要建立軸承座的半個對稱實體模型，再進行鏡像操作即可。采用自上而下的建模方法得到如下圖2所示的三維實體模型：圖2 軸承座實體模型的建立 - 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)，又時候好

5、的網(wǎng)格劃分不僅可以節(jié)約計算時間，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，建模時考慮到軸承座的對稱剖分式，它的具體結(jié)構(gòu)和載荷具有對稱性，因此我們?nèi)∫粋€軸承座的一半進行分析。在進行劃分網(wǎng)格時，單元類型采用20節(jié)點SOLID95六面體單元，使用掃掠網(wǎng)格對體進行劃分，同時對網(wǎng)格劃分進行控制，使那些不能進行掃掠的部分實體自動進行四面體網(wǎng)格劃分。具體步驟如下：1、單元類型選擇：由于對軸承座是進行三維實體的結(jié)構(gòu)分析，故選擇20節(jié)點的Solid 95單元，該單元類型能夠用于不規(guī)則形狀，

6、而且不會在精度上有任何損失。它由20個節(jié)點定義，每個節(jié)點3個自由度：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、進行掃掠網(wǎng)格劃分：為了進行掃掠網(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，節(jié)點總數(shù)為64697個。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行結(jié)構(gòu)分析，故半個軸承座孔的徑向均布載荷P0=2Fr2×11000=3.1687×107Pa，而實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。軸向均布壓力載荷P2=0.2P0=6.3374×106Pa。2、軸承座的約束情況：根據(jù)實際結(jié)構(gòu)和安裝情況，軸承座是靠底座的四個螺栓孔與安裝基座相連接來實現(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方向的對稱約束，而在底面邊線上施加Y方向位移為零的約束。這樣與實際情況基本相符。3、具體模型加載步驟如下：(1) 約束兩個安裝孔依次選擇Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement >SymmetryB.C.-On Areas，拾取兩個安裝孔的4個柱面，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稱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稱約束邊界條件，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，然后新建代號為11的局部柱坐標系，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 實體模型加載- 5 -五、 求解及結(jié)果分析1、模型求解對模型進行求解，執(zhí)行Main Menu >Solution >Solve >Current LS命令，單擊OK，等待運算，直到出現(xiàn)“Solution is done”完成求解運算。2、軸承座的應(yīng)力分析將結(jié)果進行擴展

13、，得到整個模型的結(jié)果顯示圖。對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)力作為軸承座強度校核的應(yīng)力，采用第一主 - 7 -應(yīng)力強度理論進行計算。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)體會相對于其他應(yīng)用型軟件而言，ANSYS作為大型權(quán)威性的有限元分析軟件，對提高解決問題的能力是一個全面的鍛煉過程，是一門相當難學(xué)的軟件。在剛開始接觸的時候會感到無從下手，照著書本上的例子做也是云里霧里不知所云，但多花點時間練習(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。我認為要學(xué)好ANSYS，就要對自己提出很高的要求，一方

16、面，需要學(xué)習(xí)者有比較扎實的力學(xué)理論基礎(chǔ)，對ANSYS分析結(jié)果能有個比較準確的預(yù)測和判斷，可以說，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)驗不斷總結(jié)以提高解決問題的效率。在學(xué)ANSYS時，以前學(xué)的很多基本概念和力學(xué)理論知識都忘得差不多了，因而遇到有一定理論難度的問題可能很難下手，特別是對結(jié)果的分析，需要用到材料力學(xué)和彈性力學(xué)里面的知識進行理論上的判斷，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)，加深對基本概念的理解是非常有必要的，實際上，適當?shù)膹?fù)習(xí)并不要花很多時間，效果卻很明顯，不僅能勾起對已學(xué)知識的回憶，還能加深理解，使遇到的問

17、題得到順利的解決。 同時，作為工科學(xué)生，我們 還要加強自己的建模能力，有意識的去訓(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，我們要多問問題多積累經(jīng)驗。學(xué)習(xí)ANSYS的過程實際上是一個不斷解決問題的過程，問題遇到的越多，解決的越多，實際運用ANNSYS的能力才會越高。對于- 10 -初學(xué)者，必將會遇到許許多多的問題，對遇到的問題最好能記下來，認真思考，逐個解決，積累經(jīng)驗。只有這樣才會印象深刻，避免以后犯類似的錯誤，即使遇到也能很快解決。比如，我在做這個題目的時候?qū)W(wǎng)格劃分和加載這兩塊就困惑過的，為了劃分成六面體，對單元類型的選擇及劃分方法感覺有些茫然，查資料后發(fā)現(xiàn)別人用Solid95單元，但我對不理解，甚至對單元究竟應(yīng)如何選擇義務(wù)所知，后來問老師查資料漸漸明白了，還學(xué)會了掃掠網(wǎng)格劃分。在自學(xué)的過程中學(xué)會使用Help也非常重要。對于照著書本上做練習(xí)，對初學(xué)者是有必要的，但是我覺得照著書上練習(xí)很難理解為什么要這么做，因此，盡管做出來了，但以后遇到類似問題可能還是不知道。所以我們你需要的是對整個分析過程的獨立思考