基于ANSYS的轴承座结构分析

1、ANSYS及其应用考核大作业-轴承座结构分析姓名：夏洪峰 学号： 20090381按图1尺寸建立轴承座的实体模型（因结构和载荷的对称性，只建立了一半模型），尽量采用六面体网格划分轴承座的单元，轴承座在下半孔面上作用正弦径向压力载荷P1，P1=P0sin，式中P0=2FrFr为径向合力，r为轴承孔半径，b为轴承孔厚度），轴向均布压力载荷P2，P2=0.2P0。rb径向合力Fr取值：（10+学号最后一位数字）×1000N。要求按小论文格式写：（1） 建模过程。简单叙述；（2） 网格划分。简单叙述，列出分割后的实体图和网格图，并说明单元和节点数；（3） 加载过程。详细叙述加载部位和加载过程

2、（附图）；（4） 计算结果。列出米塞斯等效应力、第一主应力和变形图，并进行强度分析；（5） 学习体会；第15周周一统一上交报告。 （孔到两边线距离均为15mm） P1P2- 1 -一、 有限元单元法与ANSYS简介有限元法是将连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为单元与单元之间只通过节点联结，力也只通过节点作用。在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组，再将所有单元的方程组，组织集成表示整个结构力学特性的代数方程组，并引入边界条件求解。应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程包括结构离散化、单元分析、整体分析和弓入边界条件、求解方程四个步骤：A

3、NSYS软件是由美国的John Swanson博士和Swanson分析系统公司(SASI)开发出的，一个功能强大灵活的、集设计分析及优化功能于一体的大型通用有限元软件包，它将有限元分析计算机图学、可靠性技术和优化技术相结合，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体，可广泛用于机械制造、航空航天、铁道、轻工，生物医学等的科学研究的大型通用商业软件。ANSYS软件具有很强的硬件平台适应性，可以在PC机到巨型机的所有硬件平台上运行。ANSYS有限元程序不仅能够分析已有结构在各种工况下的工作状况，而且还可以进行特定条件下的合理性设计。用它可以进行结构分析、热分析、模态分析，磁场分析、热-结构耦合分析以及优

4、化分析。另外，ANSYS可以与许多先进的CAD软件共享资源，使用户在CAE过程中避免重复建模。二、 实体模型的建立建立实体模型可以通过自上而下和自下而上两个途径：1自上而下建模，首先要建立体（或面），对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状2自下而上建模，首先要建立关键点，有这些点建立线、有线连成面等。 一般建模原则是充分利用对称性，合理考虑细节。根据图1的轴承座实例，由于轴承座具有对称性，只需要建立轴承座的半个对称实体模型，再进行镜像操作即可。采用自上而下的建模方法得到如下图2所示的三维实体模型：图2 轴承座实体模型的建立 - 2 -三、 网格划分网格划分是有限元分析的关键环节，又时候好

5、的网格划分不仅可以节约计算时间，而且往往是求解成功的钥匙。划分网格一般包括以下三个步骤：定义单元属性（TYPE、REAL、MAT）、制定网格的控制参数、生成网格。为了精确揭示轴承座的应力、变形情况，建模时考虑到轴承座的对称剖分式，它的具体结构和载荷具有对称性，因此我们取一个轴承座的一半进行分析。在进行划分网格时，单元类型采用20节点SOLID95六面体单元，使用扫掠网格对体进行划分，同时对网格划分进行控制，使那些不能进行扫掠的部分实体自动进行四面体网格划分。具体步骤如下：1、单元类型选择：由于对轴承座是进行三维实体的结构分析，故选择20节点的Solid 95单元，该单元类型能够用于不规则形状，

6、而且不会在精度上有任何损失。它由20个节点定义，每个节点3个自由度：x，y，z方向。2、制定材料属性：指定线弹性材料的弹性模量EX=2.07e11 Pa，泊松比PRXY=0.3；3、进行扫掠网格划分：为了进行扫掠网格化分，需要将基座剖分为两部分，并且激活“tet-mesh”，保留滑标值为4，并将全部单元尺寸设置为SIZE=2，最后分别自下而上拾取体完成扫掠网格的划分。得到扫掠网格如下图3所示，得到的轴承座有限元模型的总单元数为22327个，节点总数为64697个。图3 扫掠网格的划分- 3 -四、 轴承座载荷的施加1、根据已知条件有：轴承孔所受到的径向合力Fr=（10+1）×1000

7、N=11000N；轴承孔半径r=17mm；轴承孔厚度b=13mm；由于我们只截取一半模型进行结构分析，故半个轴承座孔的径向均布载荷P0=2Fr2×11000=3.1687×107Pa，而实际情况轴承孔所受并非均布载荷，轴=rb0.017×0.013承孔最下部分受载荷最大，左右两腰部分所收载荷最小几乎为零，即轴承座孔面上所受载荷为非线性的。故，我们将它近似为正弦径向压力载荷P1，即P1=P0sin。轴向均布压力载荷P2=0.2P0=6.3374×106Pa。2、轴承座的约束情况：根据实际结构和安装情况，轴承座是靠底座的四个螺栓孔与安装基座相连接来实现固定的

8、，此处为刚性约束，可以在其孔面上施加限制X、Z方向的对称约束，而在底面边线上施加Y方向位移为零的约束。这样与实际情况基本相符。3、具体模型加载步骤如下：(1) 约束两个安装孔依次选择Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement >SymmetryB.C.-On Areas，拾取两个安装孔的4个柱面，单击OK。(2) 在基座底部施加位移约束方法一：底部边线上施加依次选择Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement &

9、gt;On Lines，拾取基座底座的三条外边界线，单击OK。选择UY作为约束自由度，单击OK。方法二：基座底面上施加依次选择Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displacement >On Areas，拾取基座底部的两个面，单击OK。选择UY作为约束自由度，单击OK。(3) 在X=0的所有表面上施加对称约束边界条件由于我们的分析是局限于一半模型，故在剖分面还需要施加对称约束边界条件，依次选择Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Displac

10、ement >Symmetry B.C.-On Areas，拾取剖分面上的三个面，单击OK。(4) 在轴承孔圆周上施加轴向压力载荷依次选择Main Menu >Solution >Loads-Apply >Structural-Pressure >On Areas，拾取轴承孔侧边的高度为“3”的两个竖直面，单击OK，输入面上的压力值“6.3374e6”，单击OK。(5) 用箭头显示压力值依次选择Utility Menu >PlotCtrls >Structure-Pressure >On Areas，将“Show pres and convert

11、 as”选择为“Arrows”，单击OK。- 4 -(6) 在轴承孔的下半部分施加正弦径向压力载荷（这个载荷的施加，这里用命令流比较方便）首先将工作平面移到轴承孔轴线上任一位置，并使WZ方向与轴线方向一致，然后新建代号为11的局部柱坐标系，并将它激活。正弦径向压力载荷的加载由以下命令流完成：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为径向合力*elsep1(k)=0*endif*enddosffun,pres,p1(1)sf,all,pres,0alls最终的到的模型加载如下图4所示：图4 实体模型加载- 5 -五、 求解及结果分析1、模型求解对模型进行求解，执行Main Menu >Solution >Solve >Current LS命令，单击OK，等待运算，直到出现“Solution is done”完成求解运算。2、轴承座的应力分析将结果进行扩展

13、，得到整个模型的结果显示图。对于方法一中在底座边线上施加UY约束，可得轴承座的第一主应力见图5，轴承座的第一主应力基本都是压应力，即1<0，最大处为33.1MPa；只在两块腹板及底座内侧边缘等几处表现为拉应力1>0。图5 底面边线位移约束的 第一主应力分布从第一主应力图可看出轴承座大部分处于压应力状态，应力值在0.77MPa17MPa之间，而在两块腹板与套筒托架相连处有应力集中，其值为113MPa，至于底座后端出现较大的拉应力（如图5左所示）主要由轴承座Y方向的自由度约束是加载在底面边线 - 6 -上造成的。如果将底面线上约束改为底座面约束会发现效果明显改观，如下图6所示：图6 底

14、座面上位移约束的第一主应力分布而此时较大拉应力只出现在两腹板上，应力集中为107MPa，较前者小一些，而且这样处理更符合实际一些，除两腹板与套筒托架相连处较大外（最大107MPa），其他部分第一主应力在10.233.6MPa之间。以下就以方法二在底座面上约束UY得到的结果进行分析。3、等效应力eqv分布：如图7为轴承座的等效应力图，轴承座的等效应力最大值为95.3MPa，小于轴承座第一主应力107MPa，所以应该用第一主应力作为轴承座强度校核的应力，采用第一主 - 7 -应力强度理论进行计算。图7 轴承座等效应力图4、轴承座变形分析如图8， 9， 10，11分别是轴承座，X方向、Y方向、Z方向

15、和轴承座的总位移图。从这几幅图中可以清楚地看出轴承座的变形规律：轴承座的位移变形主要发生在基座以上部分，而z方向的变形比较大。图8 轴承座X方向变形 - 8 -图9 轴承座Y方向变形 图10 轴承座Z方向变- 9 -图11 轴承座 总位移图六、 学习体会相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件。在刚开始接触的时候会感到无从下手，照着书本上的例子做也是云里雾里不知所云，但多花点时间练习后渐渐有了些眉目，知道了该如何去学它，也逐渐有了学习ANSYS的兴趣。我认为要学好ANSYS，就要对自己提出很高的要求，一方

16、面，需要学习者有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。在学ANSYS时，以前学的很多基本概念和力学理论知识都忘得差不多了，因而遇到有一定理论难度的问题可能很难下手，特别是对结果的分析，需要用到材料力学和弹性力学里面的知识进行理论上的判断，所以在这种情况下，复习一下材料力学，弹性力学和塑性力学，加深对基本概念的理解是非常有必要的，实际上，适当的复习并不要花很多时间，效果却很明显，不仅能勾起对已学知识的回忆，还能加深理解，使遇到的问

17、题得到顺利的解决。 同时，作为工科学生，我们 还要加强自己的建模能力，有意识的去训练自己的建模思想和技巧，这就要求我们多做练习，反复训练才能熟练并理解的较为深刻，从而才能起到举一反三的功效。再者，我们要多问问题多积累经验。学习ANSYS的过程实际上是一个不断解决问题的过程，问题遇到的越多，解决的越多，实际运用ANNSYS的能力才会越高。对于- 10 -初学者，必将会遇到许许多多的问题，对遇到的问题最好能记下来，认真思考，逐个解决，积累经验。只有这样才会印象深刻，避免以后犯类似的错误，即使遇到也能很快解决。比如，我在做这个题目的时候对网格划分和加载这两块就困惑过的，为了划分成六面体，对单元类型的选择及划分方法感觉有些茫然，查资料后发现别人用Solid95单元，但我对不理解，甚至对单元究竟应如何选择义务所知，后来问老师查资料渐渐明白了，还学会了扫掠网格划分。在自学的过程中学会使用Help也非常重要。对于照着书本上做练习，对初学者是有必要的，但是我觉得照着书上练习很难理解为什么要这么做，因此，尽管做出来了，但以后遇到类似问题可能还是不知道。所以我们你需要的是对整个分析过程的独立思考