《ANSYS及其應(yīng)用》大作業(yè)

1、 安 徽 工 業(yè) 大 學(xué) ANSYS及其應(yīng)用大作業(yè) 任課老師：包家漢 姓 名：鮑兵兵 學(xué) 號(hào)：1520190018 導(dǎo) 師：張鵬 學(xué) 院: 研究生院 2015年12月23日 軸承座裝配模型的有限元分析鮑兵兵摘要：基于ANSYS軟件對(duì)軸承座裝配模型進(jìn)行有限元分析。通過SolidWorks建立軸承座模型，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分網(wǎng)，再在ANSYS中直接創(chuàng)建螺栓、軸等，最后施加邊界條件等步驟建立軸承座裝配體的有限元模型。再對(duì)軸承座裝配體進(jìn)行變形及強(qiáng)度分析，以及得到單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)目。關(guān)鍵詞：軸承座裝配體；有限元1.引言軸承座是機(jī)械裝配中一個(gè)重要零部件，在工作中承受多種載荷。軸承座的可靠性非常重要，它會(huì)影

2、響整個(gè)機(jī)械裝配的精度、壽命等等。故對(duì)軸承座進(jìn)行強(qiáng)度分析非常有必要，但是軸承座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更不用說是軸承座裝配體了，用傳統(tǒng)的解析法對(duì)其分析十分困難，同時(shí)還存在著較大的誤差。相對(duì)于解析法，有限元分析軟件ANSYS的優(yōu)點(diǎn)十分明顯。它能夠?qū)?fù)雜的模型進(jìn)行快求解分析，同時(shí)能夠保證精度。2.建立軸承座實(shí)體模型能夠進(jìn)行三維建模的工具很多，比如：SolidWorks、Catia、UG、AutoCad等，這里采用SolidWorks并依照第8章中圖81尺寸對(duì)軸承座進(jìn)行了實(shí)體建模。下面簡單敘述建模過程：首先通過拉伸工具建立軸承座的底座部分，然后通過拉伸切除工具形成兩個(gè)通孔，接著還是通過拉伸工具形成底座上面部分，并通

3、過拉伸切除形成階梯孔，最后通過筋工具形成側(cè)面的筋板。模型如圖1。圖13軸承座分網(wǎng)將SolidWorks建好的模型保存成.x_t格式，并將其導(dǎo)入到ANSYS中。導(dǎo)入的模型會(huì)以線框形式顯示，這時(shí)只需將PlotCtrls下Style中的Solid Model Facets選成“Normal Faceting”模式即可。3.1 選擇單元類型進(jìn)行任何有限元分析都要選擇合適的單元類型，單元類型決定了附加自由度。這里選擇Solid185單元。Solid185單元用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu).單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力。還可采用

4、混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。3.2 劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分分為自動(dòng)劃分和手動(dòng)劃分。手動(dòng)網(wǎng)格劃分可以控制重點(diǎn)部位網(wǎng)格精度，非重要部位可以采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。但是如果這里采用自由網(wǎng)格劃分，Solid185單元大多會(huì)退化為4面體單元和5面體單元，計(jì)算精度會(huì)大大降低。在這里，先對(duì)軸承座進(jìn)行體分割，使其滿足體映射網(wǎng)格劃分及掃略網(wǎng)格劃分要求。體映射網(wǎng)格劃分得到的是6面體單元，體掃略網(wǎng)格劃分得到的大多數(shù)是6面體單元，少部分是5面體楔形單元。通過對(duì)軸承座進(jìn)行一系列的體分割后，得到20個(gè)體，如圖2所示。圖2即使進(jìn)行了一系列的體分割，但是仍有一些體不滿足體映射網(wǎng)格劃分的要求，對(duì)這些體采用面連

5、接方式進(jìn)行處理。由于映射網(wǎng)格劃分對(duì)線劃分分?jǐn)?shù)有要求，所以首先中心開花，劃分中間位置的體，再多點(diǎn)擴(kuò)散，劃分周圍的體。最終劃分得到網(wǎng)格如圖3。單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)如圖4。從圖4可以看出模型共有9897個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及7500個(gè)單元。4軸承座底板、螺栓及階梯軸的創(chuàng)建4.1 軸承座底板創(chuàng)建軸承座底板的創(chuàng)建非常簡單，因?yàn)檩S承座底座已經(jīng)有了，這里只需通過復(fù)制就可得到底板。同時(shí)由于軸承座網(wǎng)格已經(jīng)劃分過了，這里復(fù)制過來后就不需要再對(duì)底板進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4.2 螺栓創(chuàng)建 因?yàn)檫@里螺栓并不是主要的分析對(duì)象，因此不需詳細(xì)分析螺栓的受力情況。圖3圖4故對(duì)其采用簡化模型，兩端用兩圓環(huán)體，中間螺柱部分采用一圓柱體代替。這里螺栓預(yù)緊力為

6、，而，故。由于兩個(gè)螺栓完全一樣，可以先創(chuàng)建一個(gè)后，再通過復(fù)制形成另一個(gè)。在創(chuàng)建過程中需注意創(chuàng)建的3個(gè)體之間沒有公共表面連接，并不是一個(gè)體，故需用Glue命令對(duì)它們進(jìn)行粘接，形成一個(gè)體。 另外，特別需要注意的是：導(dǎo)入ANSYS后，模型默認(rèn)是MKS單位制，長度單位為m，所以創(chuàng)建螺栓時(shí)，需要將計(jì)算好的mm級(jí)換算成m級(jí)。比如這里螺栓中間圓柱體半徑計(jì)算出來為4mm，但是輸入時(shí)就需要輸入0.004。如圖5。圖54.3 階梯軸創(chuàng)建為便于直接采用掃略網(wǎng)格劃分，軸采用了一圓柱體和一圓弧體疊加方式建模。因?yàn)檩S承座是對(duì)稱的，所以只創(chuàng)建一半的軸。這里軸的半徑是17.5mm，圓弧體的內(nèi)徑為17.5mm，外徑為20mm。

7、這里創(chuàng)建的兩個(gè)體仍是分開的，并不是一個(gè)體，故需要采用Gule命令將兩個(gè)體粘接成一個(gè)體。最終得到的模型如圖6。圖64.4 螺栓及階梯軸網(wǎng)格劃分階梯軸和軸承接觸部位是關(guān)心的重點(diǎn)，這個(gè)部位的網(wǎng)格劃分需要更加細(xì)化，所以在劃分網(wǎng)格前將階梯軸分割為三段，其中和軸承接觸的地方獨(dú)立為一段，兩端各一段。這里采用體掃略網(wǎng)格劃分對(duì)螺栓及階梯軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分得到的模型如圖7。整個(gè)模型劃分好網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)分別為19968、18507，如圖8。圖7圖85施加邊界條件5.1 創(chuàng)建接觸對(duì)接觸對(duì)主要用在不同零件間，設(shè)置在實(shí)際零件相互接觸的表面或?qū)⒖赡芙佑|的表面。本作業(yè)中設(shè)置了7個(gè)接觸對(duì)，包括6個(gè)平面接觸對(duì)及一個(gè)曲面

8、接觸對(duì)。具體來說是螺栓和軸承座及底板各兩個(gè)接觸對(duì)，軸承座與底板一個(gè)接觸對(duì)，階梯軸軸肩側(cè)面與軸承座孔端面一個(gè)接觸對(duì)，最后還有階梯軸與軸承座孔的曲面接觸對(duì)。平面接觸對(duì)設(shè)置相對(duì)簡單，只要明確目標(biāo)面及接觸面即可。并且目標(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)。不過要注意的是，因?yàn)槟Ｐ捅容^復(fù)雜，在拾取目標(biāo)面及接觸面的過程中需要用不用的方法。比如拾取軸承座地面及底板上表面時(shí)可以利用體組合，依次將軸承座及底板獨(dú)立顯示出來，然后依次選中所需面即可。階梯軸與軸承座孔的曲面接觸對(duì)設(shè)置就相對(duì)較復(fù)雜。若是相應(yīng)曲面切向網(wǎng)格劃分一致，且兩個(gè)面之間無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，網(wǎng)格對(duì)接觸狀態(tài)無影響。若切向網(wǎng)格劃分不

9、一致，一對(duì)正好無間隙和過盈的配合卻會(huì)產(chǎn)生間隙和過盈（如圖9），嚴(yán)重影響接觸應(yīng)力及接觸區(qū)附近的應(yīng)力，因此必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，消除這種影響。而在前面建模時(shí)沒有考慮網(wǎng)格切向劃分一致性，故不能像平面接觸對(duì)一樣設(shè)置。在接觸對(duì)設(shè)置過程中，需對(duì)接觸特性進(jìn)行設(shè)置。要設(shè)置“include offset only with ramp”，即只包括接觸表面的平移量。同時(shí)，設(shè)置接觸表面既沒有間隙也沒有過盈。最后設(shè)置允許滲透量即“Initial contact closure”為0.5。這樣設(shè)置的曲面接觸對(duì)才更合理。圖9 網(wǎng)格劃分可能產(chǎn)生的間隙和過盈5.2邊界條件施加5.2.1 螺栓預(yù)緊力施加為了更加接近現(xiàn)實(shí)情況，需對(duì)

10、兩個(gè)螺栓分別施加預(yù)緊力。在施加預(yù)緊力前，需要分別對(duì)前后兩個(gè)螺栓進(jìn)行預(yù)緊截面劃分，劃分后再分別施加預(yù)緊力。根據(jù)我的學(xué)號(hào)后兩位18，可得到螺栓預(yù)緊力為。設(shè)置預(yù)緊力界面如圖10。5.2.2 施加對(duì)稱約束軸承座是左右對(duì)稱的，所以只是建了其一半模型。同時(shí)，在施加約束時(shí)，只要在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束即可。在“Apply SYMM on Areas”彈出后，勾選“Box”選取，即以框選的方式來選取對(duì)稱面。施加對(duì)稱約束面的邊線上有“S”字符出現(xiàn)。如圖11所示。5.2.3 底板施加約束 對(duì)底板右側(cè)一半下表面施加Y和Z方向約束。同樣以框選方式選中所需施加約束的四個(gè)面，并對(duì)它們施加“UY”、“UZ”方向約束。5.2.

11、4 階梯軸端面中間施加載荷 載荷需要施加到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，故要先選中階梯軸兩端面四條直線上的18個(gè)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)通過Select功能即可實(shí)現(xiàn)，選中后只顯示選中節(jié)點(diǎn)，即Plot下選中Nodes即可。然后對(duì)其施加Y方向的載荷，Y方向整體載荷即垂直向下的載荷P1，根據(jù)我的學(xué)號(hào)。這里是一半模型，故只要一半載荷即1800N。在這每個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加-1800/18N即可，“-”表示方向向下，如圖12。用同樣的方法在這些節(jié)點(diǎn)Z方向上施加軸向力，而。則在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加-1440/18N的軸向力。對(duì)階梯軸端面施加Y和Z方向載荷后的模型如圖13所示。圖10圖11圖12圖13最后將實(shí)體模型上的載荷轉(zhuǎn)換到有限元模型上，只要通過主

12、菜單Solution下，載荷定義下Operate的Transfer to FE功能即可實(shí)現(xiàn)。所有邊界條件施加效果如圖14所示。圖146計(jì)算結(jié)果及分析進(jìn)入ANSYS求解模塊，首先對(duì)求解進(jìn)行設(shè)置。首先將時(shí)間控制計(jì)算終止時(shí)間設(shè)置為1，然后打開自動(dòng)時(shí)間步，最后將子步數(shù)設(shè)置為10，求解設(shè)置就完成了。設(shè)置如圖15所示。設(shè)置完成后點(diǎn)擊Solve下的Current LS即可求解。求解完成后，通過后處理可以查看米塞斯等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力以及變形圖，分別如圖16、圖17、圖18所示。圖15圖16從圖16可以看出，軸承座中螺栓與軸承座接觸面、筋板上端與軸承座接觸部位以及軸與軸孔右端接觸部位米塞斯等效應(yīng)力較大，而最大

13、的米塞斯等效應(yīng)力為189Mpa。而裝配體用的是不銹鋼，如果是較普遍的304不銹鋼，其屈服極限為205Mpa，所以軸承座強(qiáng)度滿足要求。從圖17可以看出，螺栓、軸孔與軸接觸上部分、筋板上端與軸承座接觸部位以及軸右側(cè)端點(diǎn)處第一主應(yīng)力較大。第一主應(yīng)力對(duì)應(yīng)的是最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論，即第一強(qiáng)度理論。該理論認(rèn)為,材料破壞的主要因素是最大拉應(yīng)力,無論何種狀態(tài),只要最大拉應(yīng)力達(dá)到材料的單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力,則材料斷裂。而最大拉應(yīng)力即第一主應(yīng)力。從圖中可以看出，最大的第一主應(yīng)力為197Mpa。而304不銹鋼抗拉強(qiáng)度為550Mpa，所以軸承座抗拉強(qiáng)度滿足要求。圖17圖18圖18顯示的是軸承座的變形。從圖中可以看

14、出，軸的兩端變形較大，特別是軸的右端，明顯向下彎曲了。同時(shí)，最大變形量為0.0458mm。對(duì)于幾個(gè)應(yīng)力集中比較明顯的地方，如：螺栓與軸承座接觸面、筋板上端與軸承座接觸部位、軸與軸孔右下端以及軸承座與基座相連部位，相當(dāng)在各接觸線或解除面采用倒角的方法減小應(yīng)力集中，降低對(duì)軸承座使用的危害。7學(xué)習(xí)體會(huì)ANSYS課程學(xué)習(xí)，給我最直觀的感受就是確實(shí)比較難學(xué)。首先它全是英文，很多命令工具不知道什么意思，而在具體使用要找時(shí)又找不到，不過經(jīng)過老師的講解以及自己的操作，這方面好了不少 ；其次對(duì)于模型的有限元分析，模型簡單分析過程也相對(duì)簡單，但是模型稍微復(fù)雜點(diǎn)，建模及分析是相當(dāng)復(fù)雜的，而且中間稍微有點(diǎn)錯(cuò)，就會(huì)導(dǎo)致求解結(jié)果錯(cuò)誤，比較嚴(yán)重的可能都無法求解，更重要的是知道了結(jié)