ANSYS及其应用大作业分析

1、安徽工业大学UNSYS及其应用?大作业任课老师：包家汉 姓 名:鲍兵兵学 号：1520210018导 师：张鹏学 院：研究生院2021年12月23日轴承座装配模型的有限元分析鲍兵兵摘要：基于ANSYS软件对轴承座装配模型进行有限元分析.通过SolidWoiks 建立轴承座模型,然后导入ANSYS进行分网,再在ANSYS中直接创立螺栓、 轴等,最后施加边界条件等步骤建立轴承座装配体的有限元模型.再对轴承座装 配体进行变形及强度分析,以及得到单元及节点数目.关键词：轴承座装配体；有限元1.引言轴承座是机械装配中一个重要零部件,在工作中承受多种载荷.轴承座的可 靠性非常重要,它会影响整个机械装配的精

2、度、寿命等等.故对轴承座进行强度 分析非常有必要,但是轴承座结构复杂,更不用说是轴承座装配体了,用传统的 解析法对其分析十分困难,同时还存在着较大的误差.相对于解析法,有限元分 析软件ANSYS的优点十清楚显.它能够对复杂的模型进行快求解分析,同时能够 保证精度.2建立轴承座实体模型能够进行三维建模的工具很多,比方：SolidWoiks> Catia> UG、AutoCad 等,这里采用SolidWoiks并依照第8章中图8-1尺寸对轴承座进行了实体建模. 下面简单表达建模过程：首先通过拉伸工具建立轴承座的底座局部,然后通过拉 伸切除工具形成两个通孔,接着还是通过拉伸工具形成底座上

3、面局部,并通过拉 伸切除形成阶梯孔,最后通过筋工具形成侧面的筋板.模型如图lo3. 轴承座分网将SolidWoiks建好的模型保存成.x_t格式,并将其导入到ANSYS中.导入 的模型会以线框形式显示,这时只需将PlotCtils下Style中的Solid Model Facets 选成“Normal Faceting模式即可.3.1选择单元类型进行任何有限元分析都要选择适宜的单元类型,单元类型决定了附加自由 度.这里选择Solid 185单元.Solid 185单元用于构造三维固体结构.单元通过8 个节点來定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性、应 力钢化、蠕变、大变

4、形和大应变水平.还可采用混合模式模拟儿乎不可压缩弹塑材料和 完全不可压缩超弹性材料.3. 2划分网格网格划分分为自动划分和手动划分.手动网格划分可以限制重点部位网格精 度,非重要部位可以采用自动网格划分.但是如果这里釆用自由网格划分, Solid 185单元人多会退化为4面体单元和5面体单元,计算精度会大大降低.在这里,先对 轴承座进行体分割,使其满足体映射网格划分及扫略网格划分要求.体映射网格划分得到的 是6面体单元,体打略网格划分得到的人多数是6面体单元,少局部是5面体楔形单元.通 过对轴承座进行一系列的体分割后,得到20个体,如图2所示.ANSYSC6C 23 2021 18:41:40

5、F11Q!图2即使进行了一系列的体分割,但是仍有一些体不满足体映射网格划分的要求,对这些体 采用面连接方式进行处理.由于映射网格划分对线划分分数有要求,所以首先中央开花,划 分中间位置的体,再多点扩散,划分周围的体.最终划分得到网格如图3.单元及节点数如 图4.从图4可以看出模型共有9897个节点,以及7500个单元.4. 轴承座底板、螺栓及阶梯轴的创立4.1轴承座底板创立轴承座底板的创立非常简单,由于轴承座底座己经有了,这里只需通过复制 就可得到底板.同时由于轴承座网格己经划分过了,这里复制过來后就不需要再 对底板进行网格划分.4. 2螺栓创立由于这里螺栓并不是主要的分析对象,因此不需详细分

6、析螺栓的受力情况.图3图4故对其釆用简化模型,两端用两圆环体,中间螺柱局部采用一圆柱体代替.这里 螺栓预紧力为T = 2P,而=18 x 200 = 3600,故T = 2片= 7200N.由于两个螺 栓完全一样,可以先创立一个后,再通过复制形成另一个.在创立过程中需注意创立的3 个体之间没有公共外表连接,并不是一个体,故需用Glue命令对它们进行粘接,形成一个 体.另外,特别需要注意的是：导入ANSYS后,模型默认是MKS单位制,长度单位为m, 所以创立螺栓时,需要将计算好的mm级换算成m级.比方这里螺栓中间圆柱体半径计算 出来为4mm,但是输入时就需要输入0.004.如图5.图54. 3阶

7、梯轴创立为便于直接采用扫略网格划分,轴采用了一圆柱体和一圆弧体叠加方式建模.由于轴承 座是对称的,所以只创立一半的轴.这里轴的半径是17.5mm,圆弧体的内径为17.5mm, 外径为20nmio这里创立的两个体仍是分开的,并不是一个体,故需要采用Gule命令将两 个体粘接成一个体.最终得到的模型如图6.VOLUMESVOLUANSYSR1S5DEC 23 202118：46：43File: XDesktopWl x_c4.4螺栓及阶梯轴网格划分阶梯轴和轴承接触部位是关心的重点,这个部位的网格划分需要更加细化,所以在划 分网格前将阶梯轴分割为三段,其中和轴承接触的地方独立为一段,两端各一段.这里

8、采用 体扫略网格划分对螺栓及阶梯轴进行网格划分,最终划分得到的模型如图7.整个模型划分 好网格后节点及单元数分别为19968、18507,如图8./ /STAT CommandflFileLaryestNumberNunberANunbei*DefinedSelectedKevpoints 282282282Lines5b2499499262259259Uolumec 434242Finite elenent node 1. eunmary!三LavgeetNunberNunbei*HunberDefinedSelectedNodes 199681996819968Elcncnts1850?1

9、850718507Elcncnt typcs 1515n.a.Real constant sets97n.aHatcrial property sets11n.a.Coupling00n.a.Constraint e(ruattons. .00n.a.5. 施加边界条件5.1创立接触对接触对主要用在不同零件间,设置在实际零件相互接触的外表或将可能接触的外表. 本作业中设置了 7个接触对,包括6个平面接触对及一个曲面接触对.具体来说是螺栓和轴 承座及底板各两个接触对,轴承座与底板一个接触对,阶梯轴轴肩侧面与轴承座孔端面一个 接触对,最后还有阶梯轴与轴承座孔的曲面接触对.平面接触对设置相对简单,只

10、要明确目标面及接触面即可.并且目标面和接触面均为 平面,在网格划分后仍为平面,接触状态与网格划分无关.不过要注意的是,由于模型比拟 复杂,在拾取目标面及接触面的过程中需要用不用的方法.比方拾取轴承座地面及底板上表 面时可以利用体组合,依次将轴承座及底板独立显示出来,然后依次选中所需面即可.阶梯轴与轴承座孔的曲面接触对设置就相对较复杂.假设是相应曲面切向网格划分一致, 且两个面之间无相对转动,网格对接触状态无影响.假设切向网格划分不一致,一对正好无间 隙和过盈的配合却会产生间隙和过盈如图9,严重影响接触应力及接触区附近的应力, 因此必须对其进行相应设置,消除这种影响.而在前面建模时没有考虑网格切

11、向划分一致性, 故不能像平面接触对一样设置.在接触对设置过程中,需对接触特性进行设置.要设置 “include offset only with ramp,即只包括接触外表的平移量.同时,设置接触外表既没有 间隙也没有过盈.最后设置允许渗透量即“Initud contact closure"为0.5.这样设置的曲面 接触对才更合理.5. 2边界条件施加5.2.1螺栓预紧力施加为了更加接近现实情况,需对两个螺栓分别施加预紧力.在施加预紧力前, 需要分别对前后两个螺栓进行预紧截面划分,划分后再分别施加预紧力.根据我 的学号后两位18,可得到螺栓预紧力为T = 2片=72002.设置预紧力

12、界面如图10.5. 2. 2施加对称约束轴承座是左右对称的,所以只是建了其一半模型.同时,在施加约束时,只 要在对称面上施加对称约束即可.在“Applv SYMM on Areas弹出后,勾选 “Box选取,即以框选的方式來选取对称面.施加对称约束面的边线上有“S 字符出现.如图11所示.5.2. 3底板施加约束对底板右侧一半下外表施加Y和Z方向约束.同样以框选方式选中所需施加约束的四 个面,并对它们施加"UY、“UZ方向约束.5.2.4阶梯轴端面中间施加载荷载荷需要施加到对应节点上,故要先选中阶梯轴两端面四条直线上的18个节点.这个 通过Select功能即可实现,选中后只显示选中节

13、点,即Plot下选中Nodes即可.然后对其 施加Y方向的载荷,Y方向整体载荷即垂直向卞的载荷Pi,根据我的学号 片=18 x 200 = 3600".这里是一半模型,故只要一半载荷即1800N.在这每个节点上施加-1800/18N即可,表示方向向下,如图12.用同样的方法在这些节点Z方向上施加 轴向力4,而4 =0.4片= 0.4 x 3600 =1440N.那么在每个节点上施加-1440/18N的轴向 力.对阶梯轴端面施加Y和Z方向载荷后的模型如图13所示.图10ANSYSR14.5DEC 23 2C1519139:19File :图11图12图13最后将实体模型上的载荷转换到有

14、限元模型上,只要通过主菜单Solution 下,载荷定义下Operate的Tiansfeito FE功能即可实现.所有边界条件施加效果 如图14所示.图146. 计算结果及分析进入ANSYS求解模块,首先对求解进行设置.首先将时间限制计算终止 时间设置为1,然后翻开自动时间步,最后将子步数设置为10,求解设置就 完成了.设置如图15所示.设置完成后点击Solve下的Cunent LS即可求解.求解完成后,通过后 处理可以查看米塞斯等效应力、第一主应力以及变形图,分别如图16、图17、 图18所示.图151TCDAL SOLUTICKSUB riM£-LSEQV (AVG) DMX -

15、.458E-04SMN -2S923LSHX -.189EiO9ANSYSR14.5DEC 23 2021 ie：S?:422&9231 423E4-0G.343Z40G.12GE4-G9 U8Z4-O9 213ET8.33E+0B. 105亘P9. L47E+0S189E+03File: XDeskxopW 二.图16从图16可以看出,轴承座中螺栓与轴承座接触面、筋板上端与轴承座接触 部位以及轴与轴孔右端接触部位米塞斯等效应力较大,而最大的米塞斯等效应力 为189Mpao而装配体用的是不锈钢,如果是较普遍的304不锈钢,其屈服极限 为205Mpa,所以轴承座强度满足要求.从图17可以

16、看出,螺栓、轴孔与轴接触上局部、筋板上端与轴承座接触部 位以及轴右侧端点处第一主应力较大.第一主应力对应的是最大拉应力强度理 论,即第一强度理论.该理论认为,材料破坏的主要因素是最大拉应力,无论何种 状态,只要最大拉应力到达材料的单向拉伸断裂时的最大拉应力,那么材料断裂.而 最大拉应力即第一主应力.从图中可以看出,最大的第一主应力为197Mpao而 304不锈钢抗拉强度为550Mpa,所以轴承座抗拉强度满足要求.1T02RL SCLUT：ON SUB -1TrME=LSL<Z?7S)DXX =.152E-01S画=-102E-03SMX -.L97E+09ANSYSR14.5DEC 23

17、 202118:56:27.333E+O3.CISfCC.1Z5E*O9.17-4E-*09.SOOEtOO.105E09.151C*099勺匕?0合-iCSECC .129B*00File: ADeskropW 1. 乂匸图17DZSPLACEMENISUB =1TZME=1DHX -.4SBE-C4ANSYSR14.5DEC 23 201S18：58：40File: De3kt:opl 图18图18显示的是轴承座的变形.从图中可以看出,轴的两端变形较大,特别 是轴的右端,明显向下弯曲了.同时,最大变形量为0.0458mm.对于几个应力集中比拟明显的地方,如：螺栓与轴承座接触面、筋板上端与 轴承座接触部位、轴与轴孔右下端以及轴承座与基座相连部位,相当在各接触线 或解除面釆用倒角的方法减小应力集中,降低对轴承座使用的危害.7. 学习体会ANSYS课程学习,给我最直观的感受就是确实比拟难学.首先它全是英文, 很多命令工具不知道什么意思,而在具体使用要找时乂找不到,不过经过老师的 讲解以及自己的操作,这方面好了不少；其次对于模型的有限元分析,模型简 单分析过程也相对简单,但是模型稍微复杂点,建模及分析是相当复