在轴承座线性分析中的应用

1、ANSYS在轴承座线性分析中的应用摘要：轴承座已在各种机械传动中得到了广泛的应用。本文在考虑轴承座结构的基础上，利用通用有限元软件ANSYS的线性模块，对轴承座在受力状态下的结构受力性能进行了深入分析。分析结果表明，利用ANSYS可以很方便地解决轴承座的线性分析问题。关键词：轴承座线性分析ANSYSABSTRUCT:Thebearingblock hassetupafileinthevariousmechanicaldriveinawiderangeofapplications.Inthispaperthestructuralstressperformanceofthebearingblock

2、isanalyzedbygeneralfiniteelementprogramANSYSbasedongeometriclinearprinciple.Theanalysisconductedincludestheinitialprestressedstate.TheanalyseresultsshowedthatusingANSYScanbeeasilysolvelinearanalysisofthebearingblock.KEYWORDS:bearing blocklinearanalysisANSYS一、引言有限元方法发展到今天，已经成为一门相当复杂的实用工程技术。有限元分析的最终目的

3、是还原一个实际工程系统的数学行为特征。即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，可广泛应用于航空航天、机械、汽车交通、电子等一般工业及科学研究领域。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统

4、受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于轴承在机械传动中的广泛应用，与其配套使用的轴承座也已经成为机械工程结构中必须采用的结构。机械工程师在对轴承座结构进行受力分析时，往往希望通过采用诸如ANSYS等通用有限元软件计算。在运用ANSYS进行分析时先进行结构简化，然后应合理选用单元类型及材料模型，以求较好的计算精度。本文在利用通用有限元分析软件ANSYS的线性模块，结合有限元软件的功能和选用的轴承座特点，对轴承座受力状态进行了分析。总结了ANSYS的有线元分析结

5、果，研究了轴承座荷载位移全过程的结构性能。二、问题描述如图1建立轴承座的实体模型，轴承座在下半孔面上作用径向压力P1，轴向均布压力载荷P2，径向约束四个安装孔，同时约束轴承座的上下移动。四个安装孔径向约束（对称）沉孔上的推力（）向下作用力(P1)轴承座底部约束（） 图1 问题描述三、有限元分析过程、建立实体模型采用自下而上建模，首先要建立关键点，由这些点建立线、由线连成面、面生成体等。一般建模原则是充分利用对称性，合理考虑细节。根据题中的轴承座，由于轴承座具有对称性，只需建立轴承座的半个实体对称模型，在进行镜像操作即可。（1）生成长方体MainMenu：PreprocessorCreateBl

6、ockByDimensions 输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3平移并旋转工作平面UtilityMenuWorkPlaneOffsetWPbyIncrementsX,Y,ZOffsets输入2.25,1.25,.75点击ApplyXY，YZ，ZXAngles输入0，90点击OK。创建圆柱体MainMenu：PreprocessorCreateCylinderSolidCylinderRadius输入0.75/2,Depth输入1.5,点击OK。 图2 生成一圆柱拷贝生成另一个圆柱体MainMenu：PreprocessorCopyVolume拾取圆柱体,点击App

7、ly,DZ输入1.5然后点击OK从长方体中减去两个圆柱体MainMenu：PreprocessorOperateSubtractVolumes首先拾取被减的长方体，点击Apply,然后拾取减去的两个圆柱体，点击OK。使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致UtilityMenuWorkPlaneAlignWPwithGlobalCartesian图3 生成另一圆柱 图4 生成两定位孔（）创建支撑部分UtilityMenu:WorkPlane-DisplayWorkingPlane(toggleon)MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volumes-Block-

8、By2corners&Z在创建实体块的参数表中输入下列数值:WPX=0WPY=1Width=1.5Height=1.75Depth=0.75OKToolbar:SAVE_DB图5 创建支撑部分（）偏移工作平面到轴瓦支架的前表面UtilityMenu:WorkPlane-OffsetWPto-Keypoints+）在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点）OKToolbar:SAVE_DB（）创建轴瓦支架的上部MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volumes-Cylinder-PartialCylinder+在创建圆柱的参数表中输入下列参数:WPX=0WPY

9、=0Rad-1=0Theta-1=0Rad-2=1.5Theta-2=90Depth=-0.75OKToolbar:SAVE_DB图6 生成支架上部（）在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volume-Cylinder-SolidCylinder+1.)输入下列参数:WPX=0WPY=0Radius=1Depth=-0.18752.)拾取Apply3.)输入下列参数:WPX=0WPY=0Radius=0.85Depth=-24.) 拾取OK图7 创建圆柱（）从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔MainMenu:

10、Preprocessor-Modeling-Operate-Subtract-Volumes+1）拾取构成轴瓦支架的两个体，作为布尔“减”操作的母体。单击Apply2）拾取大圆柱作为“减”去的对象。单击Apply3）拾取步1中的两个体，单击Apply4）拾取小圆柱体，单击OKToolbar:SAVE_DB合并重合的关键点：MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsMergeItems将Label设置为“Keypoints”,单击OK图8 布尔操作生成轴承孔（）创建一个关键点在底座的上部前面边缘线的中点建立一个关键点:MainMenuPreprocessor-Model

11、ing-CreateKeypointsKPbetweenKPs+拾取如图的两个关键点,单击OKRATI=0.5,单击OK（）创建一个三角面并形成三棱柱MainMenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-ArbitraryThroughKPs+1）拾取轴承孔座与整个基座的交点。2）拾取轴承孔上下两个体的交点3）拾取基座上上步建立的关键点，单击OK完成了三角形侧面的建模。4）沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。MainMenuPreprocessor-Modeling-OperateExtrude-Areas-AlongNormal+拾取三角面,单击OK5）输入D

12、IST=-0.15，厚度的方向是向轴承孔中心,单击OKToolbar:SAVE_DB图9 创建支撑板（）关闭workingplanedisplay.UtilityMenu:WorkPlane-DisplayWorkingPlane(toggleoff)（）沿坐标平面镜射生成整个模型MainMenu:Preprocessor-Modeling-Reflect-Volumes+1.拾取All2.拾取“Y-Zplane，单击OKToolbar:SAVE_DB（）粘接所有体MainMenu:Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Glue-Volumes+拾取Al

13、lToolbar:SAVE_DB 图10 镜像生成整个模型2、建立有限元模型（1）定义单元类型选轴承座为10节点四面体实体结构单元(SOLID92)MainMenu:Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete.1）Add2)选择Structural-Solid,并下拉菜单选择“Tet10Node92”单击OK3)Close（2）定义材料特性MainMenu:Preprocessor-MaterialProps-Constant-Isotropic.1）OK(将材料号设定为1)2)在“YoungsModulusEX”下输入：210e9，在“PRXY”下输入0

14、.3，单击OK。Toolbar:SAVE_DB 图11 定义材料特性（3）用网格划分器MeshTool将几何模型划分网格MainMenu:Preprocessor-MeshTool1)将智能网格划分器（SmartSizing）设定为“on”2)将滑动码设置为“2”（值越小将获得更密的网格)3)确认MeshTool的各项为:Volumes,Tet,Free4）MESH5）PickAll6）关闭MeshToolToolbar:SAVE_DB 图12 划分网格3、施加约束与载荷（1）约束四个安装孔MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-Displacemen

15、t-SymmetryB.C.-OnAreas+1）绘出Areas(UtilityMenu:Plot-Areas)2）拾取四个安装孔的8个柱面（每个圆柱面包括两个面）说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。单击OK。（2） 整个基座底部施加约束（UY=0）MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-Displacement-onLines+1）拾取基座底面的所有外边界线，pickingmenu中的“count”应等于6，单击OK。2）选择UY作为约束自由度，单击OK 图13约束四个安装孔 图14

16、 约束底面（3）在轴承孔圆周上施加推力载荷Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1）拾取轴承孔上宽度为.15”的所有面2) OK3）输入面上的压力值“1000 ”，单击Apply4) Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 5) 用箭头显示压力值， (“Show pres and convect as”)，单击OK(4) 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，这个载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的。While still in - LoadsApply - Str

17、uctural-Pressure - On Areas +1)拾取宽度为.1875”的下面两个圆柱面2)OK3)输入压力值 50004)OKToolbar: SAVE_DB 图15 施加推力载荷 图16 施加径向压力载荷4、求解及结果分析（1）求解Main Menu: Solution - Solve-Current LS1）浏览 status window 中出现的信息, 然后关闭此窗口。2）OK (开始求解). 关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。3）求解结束后，关闭信息窗口。（2）结果图解图17 轴承座变形图图18轴承座位移矢量图 图19 轴承座位移矢量图由图17至图19可知：轴承座的位移变形主要发生在基座以上部分，而Z方向上的变形较大。轴承座孔有变大的趋势，而且座孔的上半部分的扩大趋势最为明显。轴承座的底座的变形不大。图20节点第一主应力图图21 节点米勒斯等效应力图图22 应力矢量图由图20至图22可知：轴承座的第一主应力基本都是压应力，即1 0；并且轴承座大部分处于压应力状态，应力值在1595PSI-6434PSI（10.99MPa-44.36MPa）之间，而在两块腹板与托