在軸承座線性分析中的應(yīng)用

1、ANSYS在軸承座線性分析中的應(yīng)用摘要：軸承座已在各種機(jī)械傳動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文在考慮軸承座結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用通用有限元軟件ANSYS的線性模塊，對(duì)軸承座在受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行了深入分析。分析結(jié)果表明，利用ANSYS可以很方便地解決軸承座的線性分析問(wèn)題。關(guān)鍵詞：軸承座線性分析ANSYSABSTRUCT:Thebearingblock hassetupafileinthevariousmechanicaldriveinawiderangeofapplications.Inthispaperthestructuralstressperformanceofthebearingblock

2、isanalyzedbygeneralfiniteelementprogramANSYSbasedongeometriclinearprinciple.Theanalysisconductedincludestheinitialprestressedstate.TheanalyseresultsshowedthatusingANSYScanbeeasilysolvelinearanalysisofthebearingblock.KEYWORDS:bearing blocklinearanalysisANSYS一、引言有限元方法發(fā)展到今天，已經(jīng)成為一門相當(dāng)復(fù)雜的實(shí)用工程技術(shù)。有限元分析的最終目的

3、是還原一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征。即分析必須針對(duì)一個(gè)物理原型準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。模型包括所有節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件以及其他用來(lái)表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。ANSYS是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、汽車交通、電子等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言擴(kuò)展宏命令功能。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

4、受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于軸承在機(jī)械傳動(dòng)中的廣泛應(yīng)用，與其配套使用的軸承座也已經(jīng)成為機(jī)械工程結(jié)構(gòu)中必須采用的結(jié)構(gòu)。機(jī)械工程師在對(duì)軸承座結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)，往往希望通過(guò)采用諸如ANSYS等通用有限元軟件計(jì)算。在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行分析時(shí)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，然后應(yīng)合理選用單元類型及材料模型，以求較好的計(jì)算精度。本文在利用通用有限元分析軟件ANSYS的線性模塊，結(jié)合有限元軟件的功能和選用的軸承座特點(diǎn)，對(duì)軸承座受力狀態(tài)進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)了ANSYS的有線元分析結(jié)

5、果，研究了軸承座荷載位移全過(guò)程的結(jié)構(gòu)性能。二、問(wèn)題描述如圖1建立軸承座的實(shí)體模型，軸承座在下半孔面上作用徑向壓力P1，軸向均布?jí)毫d荷P2，徑向約束四個(gè)安裝孔，同時(shí)約束軸承座的上下移動(dòng)。四個(gè)安裝孔徑向約束（對(duì)稱）沉孔上的推力（）向下作用力(P1)軸承座底部約束（） 圖1 問(wèn)題描述三、有限元分析過(guò)程、建立實(shí)體模型采用自下而上建模，首先要建立關(guān)鍵點(diǎn)，由這些點(diǎn)建立線、由線連成面、面生成體等。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。（1）生成長(zhǎng)方體MainMenu：PreprocessorCreateBl

6、ockByDimensions 輸入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3平移并旋轉(zhuǎn)工作平面UtilityMenuWorkPlaneOffsetWPbyIncrementsX,Y,ZOffsets輸入2.25,1.25,.75點(diǎn)擊ApplyXY，YZ，ZXAngles輸入0，90點(diǎn)擊OK。創(chuàng)建圓柱體MainMenu：PreprocessorCreateCylinderSolidCylinderRadius輸入0.75/2,Depth輸入1.5,點(diǎn)擊OK。 圖2 生成一圓柱拷貝生成另一個(gè)圓柱體MainMenu：PreprocessorCopyVolume拾取圓柱體,點(diǎn)擊App

7、ly,DZ輸入1.5然后點(diǎn)擊OK從長(zhǎng)方體中減去兩個(gè)圓柱體MainMenu：PreprocessorOperateSubtractVolumes首先拾取被減的長(zhǎng)方體，點(diǎn)擊Apply,然后拾取減去的兩個(gè)圓柱體，點(diǎn)擊OK。使工作平面與總體笛卡爾坐標(biāo)系一致UtilityMenuWorkPlaneAlignWPwithGlobalCartesian圖3 生成另一圓柱 圖4 生成兩定位孔（）創(chuàng)建支撐部分UtilityMenu:WorkPlane-DisplayWorkingPlane(toggleon)MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volumes-Block-

8、By2corners&Z在創(chuàng)建實(shí)體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值:WPX=0WPY=1Width=1.5Height=1.75Depth=0.75OKToolbar:SAVE_DB圖5 創(chuàng)建支撐部分（）偏移工作平面到軸瓦支架的前表面UtilityMenu:WorkPlane-OffsetWPto-Keypoints+）在剛剛創(chuàng)建的實(shí)體塊的左上角拾取關(guān)鍵點(diǎn)）OKToolbar:SAVE_DB（）創(chuàng)建軸瓦支架的上部MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volumes-Cylinder-PartialCylinder+在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù):WPX=0WPY

9、=0Rad-1=0Theta-1=0Rad-2=1.5Theta-2=90Depth=-0.75OKToolbar:SAVE_DB圖6 生成支架上部（）在軸承孔的位置創(chuàng)建圓柱體為布爾操作生成軸孔做準(zhǔn)備MainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Volume-Cylinder-SolidCylinder+1.)輸入下列參數(shù):WPX=0WPY=0Radius=1Depth=-0.18752.)拾取Apply3.)輸入下列參數(shù):WPX=0WPY=0Radius=0.85Depth=-24.) 拾取OK圖7 創(chuàng)建圓柱（）從軸瓦支架“減”去圓柱體形成軸孔MainMenu:

10、Preprocessor-Modeling-Operate-Subtract-Volumes+1）拾取構(gòu)成軸瓦支架的兩個(gè)體，作為布爾“減”操作的母體。單擊Apply2）拾取大圓柱作為“減”去的對(duì)象。單擊Apply3）拾取步1中的兩個(gè)體，單擊Apply4）拾取小圓柱體，單擊OKToolbar:SAVE_DB合并重合的關(guān)鍵點(diǎn)：MainMenuPreprocessorNumberingCtrlsMergeItems將Label設(shè)置為“Keypoints”,單擊OK圖8 布爾操作生成軸承孔（）創(chuàng)建一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在底座的上部前面邊緣線的中點(diǎn)建立一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):MainMenuPreprocessor-Model

11、ing-CreateKeypointsKPbetweenKPs+拾取如圖的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),單擊OKRATI=0.5,單擊OK（）創(chuàng)建一個(gè)三角面并形成三棱柱MainMenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-ArbitraryThroughKPs+1）拾取軸承孔座與整個(gè)基座的交點(diǎn)。2）拾取軸承孔上下兩個(gè)體的交點(diǎn)3）拾取基座上上步建立的關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK完成了三角形側(cè)面的建模。4）沿面的法向拖拉三角面形成一個(gè)三棱柱。MainMenuPreprocessor-Modeling-OperateExtrude-Areas-AlongNormal+拾取三角面,單擊OK5）輸入D

12、IST=-0.15，厚度的方向是向軸承孔中心,單擊OKToolbar:SAVE_DB圖9 創(chuàng)建支撐板（）關(guān)閉workingplanedisplay.UtilityMenu:WorkPlane-DisplayWorkingPlane(toggleoff)（）沿坐標(biāo)平面鏡射生成整個(gè)模型MainMenu:Preprocessor-Modeling-Reflect-Volumes+1.拾取All2.拾取“Y-Zplane，單擊OKToolbar:SAVE_DB（）粘接所有體MainMenu:Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Glue-Volumes+拾取Al

13、lToolbar:SAVE_DB 圖10 鏡像生成整個(gè)模型2、建立有限元模型（1）定義單元類型選軸承座為10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元(SOLID92)MainMenu:Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete.1）Add2)選擇Structural-Solid,并下拉菜單選擇“Tet10Node92”單擊OK3)Close（2）定義材料特性MainMenu:Preprocessor-MaterialProps-Constant-Isotropic.1）OK(將材料號(hào)設(shè)定為1)2)在“YoungsModulusEX”下輸入：210e9，在“PRXY”下輸入0

14、.3，單擊OK。Toolbar:SAVE_DB 圖11 定義材料特性（3）用網(wǎng)格劃分器MeshTool將幾何模型劃分網(wǎng)格MainMenu:Preprocessor-MeshTool1)將智能網(wǎng)格劃分器（SmartSizing）設(shè)定為“on”2)將滑動(dòng)碼設(shè)置為“2”（值越小將獲得更密的網(wǎng)格)3)確認(rèn)MeshTool的各項(xiàng)為:Volumes,Tet,Free4）MESH5）PickAll6）關(guān)閉MeshToolToolbar:SAVE_DB 圖12 劃分網(wǎng)格3、施加約束與載荷（1）約束四個(gè)安裝孔MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-Displacemen

15、t-SymmetryB.C.-OnAreas+1）繪出Areas(UtilityMenu:Plot-Areas)2）拾取四個(gè)安裝孔的8個(gè)柱面（每個(gè)圓柱面包括兩個(gè)面）說(shuō)明：在拾取時(shí)，按住鼠標(biāo)的左鍵便有實(shí)體增亮顯示，拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)顯示的實(shí)體隨之改變，此時(shí)松開(kāi)左鍵即選中此實(shí)體。單擊OK。（2） 整個(gè)基座底部施加約束（UY=0）MainMenu:Solution-Loads-Apply-Structural-Displacement-onLines+1）拾取基座底面的所有外邊界線，pickingmenu中的“count”應(yīng)等于6，單擊OK。2）選擇UY作為約束自由度，單擊OK 圖13約束四個(gè)安裝孔 圖14

16、 約束底面（3）在軸承孔圓周上施加推力載荷Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1）拾取軸承孔上寬度為.15”的所有面2) OK3）輸入面上的壓力值“1000 ”，單擊Apply4) Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 5) 用箭頭顯示壓力值， (“Show pres and convect as”)，單擊OK(4) 在軸承孔的下半部分施加徑向壓力載荷，這個(gè)載荷是由于受重載的軸承受到支撐作用而產(chǎn)生的。While still in - LoadsApply - Str

17、uctural-Pressure - On Areas +1)拾取寬度為.1875”的下面兩個(gè)圓柱面2)OK3)輸入壓力值 50004)OKToolbar: SAVE_DB 圖15 施加推力載荷 圖16 施加徑向壓力載荷4、求解及結(jié)果分析（1）求解Main Menu: Solution - Solve-Current LS1）瀏覽 status window 中出現(xiàn)的信息, 然后關(guān)閉此窗口。2）OK (開(kāi)始求解). 關(guān)閉由于單元形狀檢查而出現(xiàn)的警告信息。3）求解結(jié)束后，關(guān)閉信息窗口。（2）結(jié)果圖解圖17 軸承座變形圖圖18軸承座位移矢量圖 圖19 軸承座位移矢量圖由圖17至圖19可知：軸承座的位移變形主要發(fā)生在基座以上部分，而Z方向上的變形較大。軸承座孔有變大的趨勢(shì)，而且座孔的上半部分的擴(kuò)大趨勢(shì)最為明顯。軸承座的底座的變形不大。圖20節(jié)點(diǎn)第一主應(yīng)力圖圖21 節(jié)點(diǎn)米勒斯等效應(yīng)力圖圖22 應(yīng)力矢量圖由圖20至圖22可知：軸承座的第一主應(yīng)力基本都是壓應(yīng)力，即1 0；并且軸承座大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力值在1595PSI-6434PSI（10.99MPa-44.36MPa）之間，而在兩塊腹板與托