軸承支架的靜力分析

1、軸承支架的靜力分析1. 問題的定義像裝在汽輪機(jī)汽缸本體或基礎(chǔ)上用來支撐軸承的構(gòu)件, 磨損作為軸承座最為常見的問題，軸承座磨損現(xiàn)象也時(shí)常發(fā)生。有必要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的分析，已求提高工件的使用壽命。而有限元分析方法在這方面的分析有其優(yōu)越性，也應(yīng)用的最廣。有限元法是一種基于變分法（或變分里茲法）而發(fā)展起來的求解微分方程的數(shù)值計(jì)算方法，該方法以計(jì)算機(jī)為手段，采用分片近似、進(jìn)而整體逼近的研究思想求解物理問題。 圖1 軸承支架示意圖2 . 模型建立模型建立包括：定義單元類型和實(shí)常數(shù)；定義材料屬性；建立三維幾何模型；劃分有限元網(wǎng)格。2.1 定義單元類型 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)分析問題的幾何結(jié)構(gòu)，分

2、析類型和所分析的問題精度等，選定適合具體分析的單元類型。本例中選用十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Tet 10Node92。Tet 10Node92可用于計(jì)算三維問題。2.2定義實(shí)常數(shù) 本實(shí)例中選用十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元Tet 10Node92，不需要設(shè)置實(shí)常數(shù)。2.3定義材料屬性 本實(shí)例所采用的材料屬性根據(jù)題意得知，彈性模量取2.2E11，泊松比取0.3。將這兩個(gè)數(shù)據(jù)依次輸入EX文本框和PRXY文本框即可。 圖2 定義材料屬性2.4建立三維幾何模型建立實(shí)體模型可以通過自上而下和自下而上兩個(gè)途徑：1、自上而下建模，首先要建立體（或面），對(duì)這些體或面按一定規(guī)則組合得到最終需要的形狀。2、自下而上建模，

3、首先要建立關(guān)鍵點(diǎn)，由這些點(diǎn)建立線、由線連成面等，一般建模原則是充分利用對(duì)稱性，合理考慮細(xì)節(jié)。根據(jù)題中的軸承座，由于軸承座具有對(duì)稱性，只需建立軸承座的半個(gè)實(shí)體對(duì)稱模型，在進(jìn)行鏡像操作即可。采用自下而上的建模方法得到如下圖1所示的三維實(shí)體模型：2.4.1 建立底座（1）Main Menu：Preprocessor->Modeling->Create>Volumes->Block->By Dimensions輸入x1=-100,x2=100,y1=-198,y2=198,z1=0,z2=30；（2）Main Menu：Preprocessor->Modeling-

4、>Create->Volumes->Block>By Dimensions輸入x1=-100,x2=100,y1=-125,y2=125,z1=0,z2=15；（3）Main Menu：Preprocessor->Modeling->Operate>Booleans->Subtract->Volume圖3 兩個(gè)長(zhǎng)方體布爾運(yùn)算(4) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>Partial Cylinder,彈出如下對(duì)話框，填入如下數(shù)據(jù)：圖

5、4 輸入柱坐標(biāo)的參數(shù)(5) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Reflect->Volumes(由于模型有很好的對(duì)稱性，可利用對(duì)稱性建模，這樣更快)；(6) Main Menu：Preprocessor->Modeling->Operate>Booleans->Subtract->Volume 圖5 生成的底座2.4.2.創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn),生成體積（7）Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create->Keypiont->In Active CS,彈出的對(duì)話框中NP

6、T Keypiont number輸入71；X=-15，Y=-150,Z=30；（8）參照上一步的操作，在ANSYS的顯示窗口生成以下關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)及其坐標(biāo)：72(15,-150,30)；73(-15,150,30);74 (15,150,30);75 (-15,75,280);76 (15,75,280);77（-15，-75，280）；78 （15，-75，280）；（9）Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Arbitrary>Through KPS（一定要注意連線的順序性:72-71-73-74-78

7、-77-75-76） 圖6 創(chuàng)關(guān)鍵點(diǎn)生成梯形體創(chuàng)建圓柱體，并顯示組合體首先應(yīng)偏移工作平面至(60,0,280)，（10）Utility Menu: Work Plane->Change Active CS to->Global Cylindrical (將當(dāng)前激活坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為柱坐標(biāo)系)；(11) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>Partial Cylinder；創(chuàng)建圓柱體WP X輸入0，WP Y輸入0，Radius-1輸入75，Theta-1輸入0，Radius-2輸入0

8、，Theta-2輸入360，Depth輸入120，點(diǎn)擊Apply.圖7 創(chuàng)建圓柱體 形成圓柱的軸孔(12) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder->Solid Cylinder；創(chuàng)建圓柱體WP X輸入0，WP Y輸入0，Radius-1輸入40，Depth輸入120，繼續(xù)創(chuàng)建第2個(gè)圓柱體WP X輸入0，WP Y輸入0，Radius輸入50，Depth輸入40，點(diǎn)擊OK生成2個(gè)圓柱體。點(diǎn)擊Apply(13) 選取Booleans->Subtract->Volumes命令，將聯(lián)軸

9、體大圓柱中減去剛生成的2個(gè)圓柱體，從而形成軸孔。2.4.5 連結(jié)所有體并顯示組合體（14）選擇Booleans->Glue->Volumes命令，再點(diǎn)擊Pick All命令（15）選擇Booleans->Add->Volumes命令，再點(diǎn)擊Pick All命令打開體號(hào)顯示開關(guān)并畫體。最終結(jié)果如圖6所示。 圖8 圓柱體的布爾運(yùn)算生成軸孔2.5劃分有限元網(wǎng)格本實(shí)例采用的網(wǎng)格劃分方法是Tet 10Node 92單元對(duì)三維實(shí)體劃分自由網(wǎng)格，在ANSYS的選擇體進(jìn)行網(wǎng)格劃分的對(duì)話框中，點(diǎn)擊Pick All，將所有體都進(jìn)行網(wǎng)格劃分。（16）Main Menu：Preprocesso

10、r>Meshing->Size Cntrls->ManualSize>Global>Size，在SIZE Element edge length的文本框中輸入15，（17）Main Menu：Preprocessor>Meshing>Mesh>Volume>Free，網(wǎng)格自由劃分的最后結(jié)果如圖7所示。 圖9 劃分網(wǎng)格之后的軸承支架3. 定義邊界條件3.1軸承座的約束情況：根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和安裝情況，軸承座是靠底座的四個(gè)螺栓孔與安裝基座相連接來實(shí)現(xiàn)固定的，此處為剛性約束，可以在其孔面上施加限制X、Y方向的對(duì)稱約束，而在底面邊線上施加Z方向上為應(yīng)為

11、零的約束。這樣與實(shí)際情況基本相符。3.2 具體模型加載步驟如下：（1）約束4個(gè)安裝孔依次選擇Main Menu: Solution->Define Load->Apply->Structural->Displacement ->Symmetry B.C. ->On Areas拾取兩個(gè)安裝孔的4個(gè)柱面（每個(gè)圓柱面包括兩個(gè)面），單擊OK(2)在整個(gè)基座的底部施加位移約束（UZ=0）依次選擇Main Menu: Solution->Define Load->Apply->Structural>Displacement >on Line

12、s +拾取基座底部的8條邊界線，單擊OK，選擇 UZ作為約束自由度，單擊OK。(3) 在導(dǎo)孔端面上施加推力載荷（面載荷）Main Menu: Solution>Define Load>Apply>Structural>Pressure>On Areas拾取軸承孔上所有面OK輸入壓力值1500Apply（4）在軸承孔的下半部分施加徑向壓力載荷依次選擇Main Menu: Solution>Define Load>Apply>Structural>Pressure>On Areas拾取寬度為17的所有柱面OK輸入壓力值4000（只能加左右

13、半圓，上下半圓加載不了，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)還應(yīng)考慮下半圓的加載）  圖10 顯示加載4 . 求解與查看結(jié)果求解：Main Menu: Solution->Slove->Current LS,彈出對(duì)話框，點(diǎn)OK.4.1 查看變形Main Menu: General Postproc->Plot Result->Contour Plot->Nodal Solu->DOF Solution分別查看X，Y，Z三個(gè)方向的位移，并且查看本實(shí)例的總位移。選擇Def+undef edge（變形后和未變形輪廓線），如圖11所示：（a）X軸方向的位移 （b）Y軸方向的位移（C

14、）Z軸方向的位移 （d）Displacement vector sum 圖11 變形圖4.2 查看應(yīng)力Main Menu: General Postproc->Plot Result->Contour Plot->Nodal Solu->Stress查看von Mises 等效應(yīng)力分布。選擇Def shape only（僅顯示變形后模型），再分別查看X，Y，Z三個(gè)方向的應(yīng)力，如圖12所示：（a）von Mises stress (b) x軸方向的應(yīng)力（c）Y軸方向的應(yīng)力 （d）Z軸方向的應(yīng)力 圖12 應(yīng)力圖5. 結(jié)果分析5.1 從位移結(jié)果分析從圖11的變形圖，我們能看出X方向的位移主要集中在大軸孔與小軸孔下半圓的孔臺(tái)上，尤其是在二者交界的部位：Y方向的位移在大孔軸的外邊緣比較大，左邊緣較??；而Z方向的位移則集中在大軸孔的上邊緣，下邊緣由于加了加強(qiáng)勁，故變形較?。粚?duì)于總位移來說，大軸孔上半圓附近的總位移相當(dāng)大，尤其在最頂端，位移達(dá)到最大，而孔德最下端最小，是因?yàn)榧恿思訌?qiáng)勁。5.2 從應(yīng)力結(jié)果分析從圖12的應(yīng)力圖可以看出，我們能看出）von Mises stress 的等效應(yīng)力大軸孔德外邊緣比較大，最低點(diǎn)最大；X方向的應(yīng)力在整個(gè)模型中分布較均勻，主要集中在大孔與小孔的交界處；