安徽工業(yè)大學(xué)有限元考核大作業(yè)

1、安徽工業(yè)大學(xué)ANSYS及其應(yīng)用考核大作業(yè)機械工程學(xué)院scncxile)imF亡礴iMiceiienQineefir9姓名：宋井科學(xué)院：機械工程學(xué)院學(xué)號：149054085指導(dǎo)老師：于秀娟ANSYS及其應(yīng)用考核大作業(yè)學(xué)號：149054085姓名：宋井科1、按圖1尺寸建立軸承座的裝配模型，具體尺寸參考講義第9章內(nèi)容(因結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，只建立了一半模型)，一半模型中在軸兩端作用垂直向下的載荷Pi,軸向載荷P2=0.4Pi,各螺栓預(yù)緊力T=2P。Pi取值：(學(xué)號最后3位數(shù)字)M10N,小于1000N時再加上1000N,各摩擦因數(shù)0=0.1(若軸承座和墊板有相對滑動，造成計算不收斂，可將摩擦因數(shù)加大

2、并說明摩擦因數(shù)大小)。要求：(1)為何采用Ansys計算此結(jié)構(gòu)；(2)建模過程。簡單敘述；(3)網(wǎng)格劃分。請盡量采用六面體網(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)；(4)加載過程(注意一半模型的載荷為整體模型的1/2)。詳細(xì)敘述加載部位和加載過程；(5)計算結(jié)果與分析。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，若結(jié)構(gòu)需加強，如何改進？(6)學(xué)習(xí)體會；(7)每人必須自己完成，若數(shù)據(jù)和結(jié)果相同按不及格處理。原始數(shù)據(jù)1 .模型尺寸2 .載荷大小解：因軸向載荷P2=0.4R,各螺栓預(yù)緊力丁=2已。P1取值：（學(xué)號最后3位數(shù)字）M10N,小于1000N時再加上10

3、00N,各摩擦因數(shù)R=0.1（若軸承座和墊板有相對滑動，造成計算不收斂，可將摩擦因數(shù)加大并說明摩擦因數(shù)大?。?。我的學(xué)號后三位為085,所以P1=85*10+1000=1850N;P2=0.4*1850=740NT=2P1=1850*2=3700N?；贏NSYS勺軸承座的有限元分析摘要：本文利用ANSYS14.0寸軸承座的強度進行有限元分析。通過三維實體建模，設(shè)置單元類型，設(shè)置材料參數(shù)，網(wǎng)格劃分控制，施加載荷約束建立軸承座的有限元模型，然后對軸承座進行求解，得出應(yīng)力，位移分布圖和變形圖，繼而對其進行強度分析，找出結(jié)構(gòu)最易破壞的地方。最后的計算結(jié)果表明該軸承座符合強度設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：有限元分析

4、、軸承座、網(wǎng)格劃分、接觸分析引言軸承座可以為軸提供支撐，并且承受軸傳遞的各種載荷。一個可靠的軸承座對于減輕軸的偏心振動，保證設(shè)備的正常性能具有重要作用。但由于軸承座形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析法無法較為精確地計算其性能。所以使用有限元分析軟件ANSYS對汽車上的某軸承座的承載特性進行有限元分析。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求逐步提高，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)目前已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)品的功能和市場的要求。而現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是以電子計算機為手段，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立在現(xiàn)在管理之上，運用工程設(shè)計的新理論、新方法，實現(xiàn)計算機結(jié)果最優(yōu)化，設(shè)計過程高效化的設(shè)計技術(shù)，它是傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的延伸和發(fā)展，它使傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)生

5、了質(zhì)的飛躍。ANSYSi序是一個功能強大的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包。與其它有限元分析軟件如SAP或NAS2TRAN相比，它有以下特點：(1)ANSYS是完全的WINDOWS序，從而使應(yīng)用更加方便;(2)產(chǎn)品系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行各業(yè)的工程需要;(3)它不僅可以進行線性分析，還可以進行各類非線性分析；(4)它是一個綜合的多物理場耦合分析軟件，用戶不但可用其進行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些分析的相互影響研究，例如：熱一結(jié)構(gòu)耦合，磁一結(jié)構(gòu)耦合以及電一磁一流體一熱耦合等。有限元法已成為非常普及的數(shù)字化分析方法，國際上已發(fā)布了眾多的有限元分析軟

6、件，因此，甚至可以說只要你能夠進行工程設(shè)計和畫圖，就可以進行有限元分析。因此采用Ansys計算，很方便，很實用。一.模型建立ANSYS也可以直接建模，但由于直接采用ANSYS建模功能并不特別方便，較復(fù)雜的模型基本在其它三維CAD軟件里建立，通過直接關(guān)聯(lián)的接口或中間文件格式導(dǎo)入。通常，經(jīng)常采用導(dǎo)入的文件格式后綴有sat和x_t兩種形式，這2種形式導(dǎo)入的模型完整，且可導(dǎo)入裝配體模型，導(dǎo)入的模型基本不存在面的破碎等現(xiàn)象，這也是不建議采用igs格式導(dǎo)入模型文件的原因。1、這里我們可以利用solidworks直接進行建模，如圖1-1所示，將模型保存為x_t形式。圖1-1軸承座一半模型ANSYSx_t文件

7、2、選取應(yīng)用菜單File-Import-Paraso|i也現(xiàn)圖1-2所示的ConnectionforPARASOLID對話框，在指定路徑下選擇前面保存的“songansis.x_t,確認(rèn)并退出。實體顯示后如圖1-3所示。圖1-2x_t格式文件導(dǎo)入圖1-3導(dǎo)入實體模型面顯示3、單元類型選擇及材料特性定義基于三維實體單元選擇Solid“Brick8node185”單元定義彈性模量為“2.06e11”,泊松比為“0.3”4、軸承座體的分割(1)軸承座上下分割，得到底板和上部結(jié)構(gòu)將工作坐標(biāo)系平移到了點35,旋轉(zhuǎn)工作平面，使得工作坐標(biāo)系的工作平面與底板上表明平行，采用工作平面分割軸承，在圖形窗口選取軸承

8、座，確認(rèn)并退出。選取應(yīng)用菜單PlotCtrls-Numbering顯示體號。結(jié)果如圖1-5所示。圖1-4工作平面平移到點17圖1-5軸承座分割成底板和上部結(jié)構(gòu)同理，改變工作平面位置，分割其它體，最終，把軸承座分隔成如1-6圖所示：5、復(fù)制形成軸承座底板，將工作坐標(biāo)復(fù)位，選取主菜單PreprocessorModelingfCopy-Volumes,畫出圖1-7所示矩形框，確認(rèn)；出現(xiàn)圖1-8所示的CopyVolumes對話框，在DZ后的文本框中輸入“-0.02，確認(rèn)退出。V221圖1-6軸承座分割效果圖6、創(chuàng)建局部柱坐標(biāo)系，在圖形窗口拾取圖1-4所示點13和點14位置的點，將工作坐標(biāo)系平移到了這兩

9、點中間；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使得工作坐標(biāo)系的工作平面與底板上表明平行；選取應(yīng)用菜單WorkPlane-LocalCoordinateSystemsCreateLocalCS-AtWPOrigin,創(chuàng)建局部柱坐標(biāo)系。同樣，在另一螺栓孔中心創(chuàng)建局部柱坐標(biāo)系12。AN圖1-7矩形框選體圖1-8復(fù)制體對話框MAY11215:127、創(chuàng)建螺栓體，選取主菜單PreprocessorModeling-CreateVolumes-CylinderfByDimensions,輸入圖1-9所示的數(shù)據(jù)，單擊“Apply”確認(rèn)，則創(chuàng)建了螺栓中間的圓柱體；再在各文本框中輸入圖1-10所示數(shù)據(jù)，則創(chuàng)建了螺栓上部的圓環(huán)體；最后在各

10、文本框中輸入圖1-11所示數(shù)據(jù)，則創(chuàng)建了螺栓下部的圓環(huán)體。粘接創(chuàng)建螺栓的3個體。同理，建立并粘接另一螺栓體。圖1-9螺栓中間圓柱體數(shù)據(jù)圖1-10螺栓上部圓環(huán)體數(shù)據(jù)ACreateCylinderbyDimension5CYUNDCreateCylinderbyDimensionsRADIOuterradiusCancelHelpRAD2OptionalinnerradiumZ1,Z2Z-ccordinatesTHETA1Startingangle(degrees)THETA2Endingangle(degrees)OKIApplyI圖1-11螺栓下部圓環(huán)體數(shù)據(jù)8、創(chuàng)建階梯軸在軸承孔后端面中心創(chuàng)建

11、局部柱坐標(biāo)系13,其中Z軸與軸承孔軸線重合。選取主菜單PreprocessorModeling-Create-Volumes-CylinderfByDimensions,輸入圖1-12所示的數(shù)據(jù),單擊“Apply”確認(rèn)，則創(chuàng)建了軸中間的圓柱體；再在各文本框中輸入圖1-13所示數(shù)據(jù)，則創(chuàng)建了軸的軸環(huán)部分。同樣需將這2個體粘接起來圖1-12軸中間圓柱體數(shù)據(jù)圖1-13軸的軸環(huán)部分?jǐn)?shù)據(jù)(11)階梯軸分割，移動工作平面，分割階梯軸，圖1-14為階梯軸分割后的軸承座裝配整體實體模型。圖1-14階梯軸分割后的軸承座裝配整體實體模型:、網(wǎng)格劃分及接觸對建立1、網(wǎng)格劃分(1)體7和體22網(wǎng)格劃分選擇圖1-8中的

12、體7、體22,選擇圖1-8中的體22、體7所包含的元素。單擊應(yīng)用菜單PlotfAreas,選取應(yīng)用菜單PlotCtrls-Numbering,在出現(xiàn)的對話框，使圖形窗口如圖2-1所示，面號的顯示。體的面連接。選取主菜單Preprocesso什MeshingfConcatenateAreas,口面46和面13確認(rèn)，連接面117和面118。線劃分網(wǎng)格尺寸控制。選取主菜單Preprocessor-MeshingMeshTool在出現(xiàn)的MeshTool對話框中，單擊SizeControls下的Lines后的Set按鈕，在圖形窗口單擊圖2-2所示線，工8分18份，“L188位置的線分為10等份，將L“2

13、9”位置的線分為8等份，將“L51位置的線分為4等份，將“L21位置的線分為2等份，將“L161位置的線分為6等份。圖2-1體包含的面顯示FiRtE:SOL建仇4CopiwiPir:*ar：3V9,Kt圖2-2體9和22中各線位置體7和體22映射網(wǎng)格劃分，保證Mesh:后的下拉選擇框中選擇的是“Volumes”，選才SShape下網(wǎng)格劃分方式選擇的是“Mapped”選項，單擊“Mesh”按鈕，選取體并確認(rèn)并退出。得到體7和體22映射劃分的網(wǎng)格。(2)體15和體16網(wǎng)格劃分顯示所有體，將圖3-3中所指“L52”位置的線分為2等份，“L8”位置的線分為18等份。單擊“Mesh”按鈕，映射劃分，圖2

14、-3為已劃分的的網(wǎng)格。(3)其他體的映射網(wǎng)格劃分同理，進行體2和體21網(wǎng)格劃分、體4和體8網(wǎng)格劃分(4) 16個包括螺栓孔體的網(wǎng)格劃分首先選取8個包括螺栓孔的體。選擇圖1-17中的16個螺栓孔體，其次連接面。連接各體圓弧面相對的兩個面。再次線等份數(shù)控制。設(shè)置各圓弧線(1/4圓)的等份數(shù)為16,圓弧線相對的線8等份，各圓弧線相鄰的線4等份。最后將各體采用映射網(wǎng)格劃分。(5)掃略劃分剩下體的網(wǎng)格最終，網(wǎng)格劃分如圖2-4所示。圖2-3已劃分網(wǎng)格圖2-4軸承座網(wǎng)格劃分(6)階梯軸和螺栓的網(wǎng)格劃分選擇階梯軸和螺栓的所有體，如圖2-5所示，選擇階梯軸和螺栓的所有體的組合，控制階梯軸的線，劃分網(wǎng)格尺寸控制，

15、“L438”，分為2份“L429”分為6份，選取“L338”，分為36份，“L420-L422,L426-L428”位置的線，分為10份，在SPACESpacingratio后的文本框中輸入“0.2,”確認(rèn)并退出，得到階梯軸和螺栓的體掃略網(wǎng)格(圖2-6)。此時節(jié)點、單元數(shù)如下圖2-7所示.File:E.=口。；jIPW&MLSH工用工目QpxedFax-二.anays.寓工圖2-5選擇得到階梯軸和螺栓的所有體圖2-6階梯軸和螺栓的網(wǎng)格劃分結(jié)果DISPLAVFEMMODELTZINFORNATIOMFEMMODELSTZExkmh就tlaxlRiinNo口毋Himber=16227NumljEr

16、rufDvflntrlHudes-16229HuiriJbuWotGclechedHoLc-3-1G229KaximuniDOFpe*Nod石=主dptwimiimFlRinftnrNaimli-p=12393HumAepDeFInertElenentf=12JVjfNunitieiafSelechedlenens=圖2-7完整模型的節(jié)點、單元數(shù)2、接觸對創(chuàng)建圖2-8所示選取軸承座底面為目標(biāo)面，選取圖2-9所示底板上表面為接觸面,如圖2-10,設(shè)置摩擦因數(shù)為0.1。圖2-8接觸向?qū)D2-9軸承座底面選擇框點擊“Next”按鈕，點擊接觸向?qū)υ捒蛑械摹癙ickContact”按鈕，開始選擇接觸面

17、。同上選取底板組合，選擇已選擇的體（底板所有體）所包含的元素。在“SelectAreasforContacf鼠標(biāo)拾取對話框，選中第二欄“Box”選取元素的方式，選取圖2-10所示的一個矩形選擇框，選中后，確認(rèn)退出。圖2-10底板上表面選擇框同理創(chuàng)建螺栓和軸承座表面的4個接觸對，選擇螺栓底面及與其接觸的四個面。創(chuàng)建階梯軸軸肩側(cè)面和軸承座孔端面的接觸對，目標(biāo)面選擇的是A220,接觸面選擇的是A4和24這2個面（圖2-1）。創(chuàng)建階梯軸和軸承座孔的曲面接觸對，同理創(chuàng)建接觸對，點擊“Optionalsettings按鈕，如圖2-13設(shè)置接觸參數(shù)。圖2-11設(shè)置摩擦因數(shù)時的接觸向?qū)D2-11階梯軸軸肩側(cè)面

18、與軸承座端面接觸創(chuàng)建階梯軸和軸承座孔的曲面接觸對，同理創(chuàng)建接觸對，前面6對接觸對,目標(biāo)面和接觸面均為平面，在網(wǎng)格劃分后仍為平面，接觸狀態(tài)與網(wǎng)格劃分無關(guān)。而對于階梯軸和軸承座孔之間的接觸，則是曲面對曲面的接觸，若曲面切向網(wǎng)格劃分一致，且目標(biāo)面和接觸面間無相對轉(zhuǎn)動時，網(wǎng)格對接觸的狀態(tài)無影響；但若切向網(wǎng)格劃分不一致，一對正好無間隙和過盈的配合卻會產(chǎn)生間隙和過盈（圖2-12）,嚴(yán)重影響接觸應(yīng)力和接觸區(qū)域附近的應(yīng)力，因此必須在接觸中進行相應(yīng)設(shè)置，消除這種影響，如圖2-13所示。若摩擦系數(shù)較小，可能造成軸承座和底板有相對滑動，造成計算不收斂，可將摩擦因數(shù)加大，如將0.1改為0.2?？讏D2-12網(wǎng)格劃分可能

19、產(chǎn)生的間隙和過盈圖2-13曲面接觸對接觸設(shè)置（過盈量為0）此時，共有7對接觸對，如圖2-14、圖2-15:ContactPaii=Fil工Ned：FiletjtaeIDot-1ttttttoooooo-111LI-lx*|T-|n1H-l*ST-*1-pppppDStands_Surface-to-EurtaceStandardFlBiihleSurface-to-SurfaceStandardFlexibleiiirface-tc*TurfStonderdFlciiblcuurfacctoSurfaceStandardFlexibleSutface_1o-SurfactStatidardKl

20、&xihleSurface-to-urfaceStandardFlexibleSurface-turface圖2-14接觸管理器中的7對接觸對N共有7對接觸對，如圖2-15:圖2-15接觸對圖ApplyCancelIHelp三、加載1、劃分后面螺栓的預(yù)緊截面分別選擇兩個螺栓的長圓柱體及所有其元素。選取主菜單PreprocessorSections-Pretension-PretensnMesElementsinVolu,在圖形窗口點擊體，冉單擊“Apply”確認(rèn)，再任選體上的一節(jié)點，確認(rèn)退出鼠標(biāo)拾取對話框，進入圖3-1所示的對話框，設(shè)置圖3-1所示參數(shù)，“OK”確認(rèn)退出對話框。同理設(shè)置sec2

21、PSMESHDefineandh/leshPretentionS&rticmSECJDSectiioinnumberINAMLLertiionnemepOPrctonsicmnodoKCNSparatiancoordcyemKOIRSepsiratnEurfacenorm!to圖3-1劃分預(yù)緊截面2、邊界條件施加(1)施加螺栓的預(yù)緊力選取主菜單Solution-DefineLoadsApply-Structural-PretnsnSectn出現(xiàn)圖3-2PretensionSectionLoads”窗口，在“PretensionSection/下選擇截面,輸入圖3-2所示數(shù)據(jù)。圖3-2施加預(yù)緊力

22、(2)施加對稱約束選取主菜單Solution-DefineLoads-Apply-Structural-Displacement-Apr-ItfTVH汴n用丁廣AirEm圖3-3對稱約束矩形選擇框IntrInti-PrefEirenceEFSotitIcmLHAliuslJrtilSSTW13DisFiinBILnade3StillliruEE月檢p?1竄El8幾mqllur9nivrpL吊1SymmetryB.C.一OnAreas,拾取圖3-3所示矩形選擇框。(3)底板右側(cè)一半下表面施加Y和Z方向約束選取主菜單Solution-DefineLoads-Apply-StructuralDisp

23、lacemenCOnAreas,將“ApplyU,ROTonA”鼠標(biāo)拾分別取圖3-4所示一個矩形選擇框，施加Y和Z方向約束。(4)階梯軸端面中間施加載荷選取應(yīng)用菜單SelectEntities,拾取階梯軸矩形端面上4條線上的18個節(jié)點。圖3-4底板下表面約束矩形選擇框選取主菜單Solution-DefineLoads-Apply-StructuralForce/MomentfOnNodes,單擊“ApplyF/MonNodes”鼠標(biāo)拾取對話框中“Pickall”按鈕，出現(xiàn)的“ApplyF/MonNodes”對話框(圖3-5),如圖3-5設(shè)置參數(shù)。圖3-5階梯軸端面中間線上節(jié)點施加Y方向載荷Ca

24、ncelHelp八ApplyF/llonNodesFApplyForce/MomerntonNodesLbDirecrionofforce/momApplymsIfCcnstfiiHtvaluethen:VALUEForre/rriiomeritvalueOKIApply圖3-6階梯軸端面中間線上節(jié)點施加X方向載荷將實體模型上的載荷轉(zhuǎn)換到有限元模型上后，所有邊界條件施加的效果（圖3-7）ELEttEJTR3-7軸承裝配有限元模型3、求解設(shè)置與求解選取主菜單Solution-AnalysisType-SolnControls,在出現(xiàn)的“Solutioncontrols對話框圖3-8所示參數(shù)，然后

25、開始求解。圖3-8求解控制對話框四、計算結(jié)果與分析1、接觸應(yīng)力圖)T2iDll50IUTTMST?=：=flTLME=1CCJCFKEJ:出RSlf3=0MX-1J1E-043HK-524E+O8ANE1Y15之七G,I1E+O5.223E+0S.34非+*，6鈕柏匕.SB2E4Q1JT5EM?2?LE+0?，打箕例,52JL4-O0FLLs;E;XOLIIWOREEATJI20：*.Cop1edFaitaX3白nq口2ys.耳一七圖4-1接觸應(yīng)力結(jié)果顯不2、顯示米塞斯等效應(yīng)力節(jié)點應(yīng)力顯示結(jié)果如圖4-2所示，左上角的DMX=0.0301,表示最大總變形為0.0301mm,SMX=96.4,表示

26、最大（米塞斯等效應(yīng)力）為96.4MPa。Ml0ALSGWI1ONSTEP=LSUB-GT1ME-LSEQVI82017B7K+O8DBSSKN-p301E-04-LG4921一g后星官斗。電.94三十口口File:E二SOLIDKORKSDATA2014CotjiedEnx:tsXonaransys.xt圖4-2米塞斯等效應(yīng)力圖IIODAXANMAYa2017Ki24s30377a2E.217E+C0-43IEtOB.G44EtO0.057+00.iidE-b3B-324Z+O3-537Etda.751E+d0.34E.+D3E;SCLT3WCRK5DATA2014CopiedFnrtsson

27、jam5v3式t圖4-3米塞斯等效應(yīng)力圖將螺栓與階梯處選擇出來的部分等效米塞斯應(yīng)力圖（4-3）。可以看出，最大應(yīng)力同樣發(fā)生在螺旋根部，且等于96.4Mpa,與整體米塞斯等效應(yīng)力圖一致。圖4-4米塞斯等效應(yīng)力圖軸承座單獨選出來的米塞斯等效應(yīng)力圖（4-4）,最大應(yīng)力發(fā)生在螺栓孔周圍,最大為46.7Mpa,且軸承孔被壓的后半部分，肋板和軸承支座接觸處也有較大的應(yīng)力3.第一主應(yīng)力圖圖4-5第一主應(yīng)力圖第一主應(yīng)力顯示結(jié)果如圖4-5所示，左上角的DMX=0.0301mm,表示最大總變形為0.0301mm,SMX=101,表示最大第一主應(yīng)力為101MPa。圖4-6第一主應(yīng)力圖將螺栓與階梯處選擇出來的部分第一

28、主應(yīng)力圖如4-7所示，可以看出，最大應(yīng)力同樣發(fā)生在螺旋根部，且等于101Mpa與整體第一主應(yīng)力圖HOD巫L6：LU二1二NSTEP-1SUB-ETTHE-1m口4sm.33IE+075MS=b275E-0SMAY2017lt2a49J31ETCT豈電：卮，。中.1C3E-15I3,1,匕-巾H13ZD34.lOSEtT?,l0t+t3B.ZDgE+OnFile!E:BOLTDHORKSDATA2G14XCcpiedPattsXaongraxisys牌_七圖4-7第一主應(yīng)力圖軸承座單獨選出來的第一主應(yīng)力圖（4-7）,最大應(yīng)力發(fā)生在螺栓孔周圍，最大為27.8Mpa,肋板和軸承支座接觸處也有較大的應(yīng)力。4、變形圖應(yīng)力顯示結(jié)果如下圖4-8所示，左上角的DMX=0.0301mm,表示最大總變形為0.0301mm。圖4-8變形結(jié)果圖5、結(jié)果分析由上面結(jié)果分析出米塞斯等效應(yīng)力最大為96.4Mpa,最大變形0.0301mm查機械設(shè)計手冊可得不銹鋼的，抗拉、抗壓、剪力的屈服強度均為207Mpa極限強度的抗拉、抗壓、剪力，均為517Mpa可知軸承座的強度、剛度均富裕。對于螺栓孔，肋板與軸承