《ANSYS及其应用》大作业

1、 安 徽 工 业 大 学 ANSYS及其应用大作业 任课老师：包家汉 姓 名：鲍兵兵 学 号：1520190018 导 师：张鹏 学 院: 研究生院 2015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SolidWorks建立轴承座模型，然后导入ANSYS进行分网，再在ANSYS中直接创建螺栓、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

2、响整个机械装配的精度、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的优点十分明显。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，比如：SolidWorks、Catia、UG、AutoCad等，这里采用SolidWorks并依照第8章中图81尺寸对轴承座进行了实体建模。下面简单叙述建模过程：首先通过拉伸工具建立轴承座的底座部分，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面部分，并通

3、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1。图13轴承座分网将SolidWorks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PlotCtrls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合适的单元类型，单元类型决定了附加自由度。这里选择Solid185单元。Solid185单元用于构造三维固体结构.单元通过8个节点来定义,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、大变形和大应变能力。还可采用

4、混合模式模拟几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。手动网格划分可以控制重点部位网格精度，非重要部位可以采用自动网格划分。但是如果这里采用自由网格划分，Solid185单元大多会退化为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，体扫略网格划分得到的大多数是6面体单元，少部分是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。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

5、接方式进行处理。由于映射网格划分对线划分分数有要求，所以首先中心开花，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、螺栓及阶梯轴的创建4.1 轴承座底板创建轴承座底板的创建非常简单，因为轴承座底座已经有了，这里只需通过复制就可得到底板。同时由于轴承座网格已经划分过了，这里复制过来后就不需要再对底板进行网格划分。4.2 螺栓创建 因为这里螺栓并不是主要的分析对象，因此不需详细分析螺栓的受力情况。图3图4故对其采用简化模型，两端用两圆环体，中间螺柱部分采用一圆柱体代替。这里螺栓预紧力为

6、，而，故。由于两个螺栓完全一样，可以先创建一个后，再通过复制形成另一个。在创建过程中需注意创建的3个体之间没有公共表面连接，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，所以创建螺栓时，需要将计算好的mm级换算成m级。比如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 阶梯轴创建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。因为轴承座是对称的，所以只创建一半的轴。这里轴的半径是17.5mm，圆弧体的内径为17.5mm，外径为20mm。

7、这里创建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。图64.4 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。图7图85施加边界条件5.1 创建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表面或将可能接触的表面。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

8、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，因为模型比较复杂，在拾取目标面及接触面的过程中需要用不用的方法。比如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。若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。若切向网格划分不

9、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”，即只包括接触表面的平移量。同时，设置接触表面既没有间隙也没有过盈。最后设置允许渗透量即“Initial contact closure”为0.5。这样设置的曲面接触对才更合理。图9 网格划分可能产生的间隙和过盈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

10、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。设置预紧力界面如图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“Apply SYMM on Areas”弹出后，勾选“Box”选取，即以框选的方式来选取对称面。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 对底板右侧一半下表面施加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.

11、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下的载荷P1，根据我的学号。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，而。则在每个节点上施加-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10图11图12图13最后将实体模型上的载荷转换到有限元模型上，只要通过主

12、菜单Solution下，载荷定义下Operate的Transfer to 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。首先将时间控制计算终止时间设置为1，然后打开自动时间步，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Current 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15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

13、的米塞斯等效应力为189Mpa。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可以看出，螺栓、轴孔与轴接触上部分、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,只要最大拉应力达到材料的单向拉伸断裂时的最大拉应力,则材料断裂。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197Mpa。而304不锈钢抗拉强度为550Mpa，所以轴承座抗拉强度满足要求。图17图18图18显示的是轴承座的变形。从图中可以看

14、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较明显的地方，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采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较难学。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又找不到，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杂的，而且中间稍微有点错，就会导致求解结果错误，比较严重的可能都无法求解，更重要的是知道了结