基于ANSYS的軸承座結(jié)構(gòu)分析

1、基于ANSYS的軸承座結(jié)構(gòu)分析PAGE PAGE 10有限元分析考核大作業(yè) 軸承座結(jié)構(gòu)分析 按如圖尺寸建立軸承座的實(shí)體模型（因結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，只建立了一模型），盡量采用六面體劃分軸承座的單元，軸承座在下半孔面上作用徑向壓力P1， ，式中（Fr為徑向合力，r為軸承半徑，b為軸承孔厚度），軸向均布?jí)毫d荷P2，徑向合力Fr取值：18*1000N。要求按小論文格式寫：1. 建模過程。2. 網(wǎng)格劃分。簡(jiǎn)單敘述網(wǎng)格劃分過程，列出分割后的實(shí)體圖和網(wǎng)格圖，并說(shuō)明單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)；3. 加載過程。詳細(xì)敘述載荷計(jì)算過程、加載部位和加載過程，需附圖；4. 計(jì)算結(jié)果。列出來(lái)米塞斯等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和變形圖，并進(jìn)行

2、強(qiáng)度分析；5. 學(xué)習(xí)體會(huì)。結(jié)合上課和上機(jī)情況，談?wù)剬?duì)所學(xué)內(nèi)容的體會(huì)。有限元分析考核大作業(yè) 基于ANSYS的軸承座結(jié)構(gòu)分析山東礦業(yè)學(xué)院 喜Confident /lfengxi有限元單元法與ANSYS簡(jiǎn)介 有限元法是一種基于變分法（或變分里茲法）而發(fā)展起來(lái)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。簡(jiǎn)而言之，其基本思想是里茲法加分片近似，可以歸納如下： 首先，將物體或解域離散為有限個(gè)互不成疊僅通過節(jié)點(diǎn)相互連接的子域（即單元），原始邊界條件也被轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)上的邊界條件，此過程稱為離散化。 其次，在單元內(nèi)，選擇簡(jiǎn)單近似函數(shù)來(lái)分片逼近未知的求解函數(shù)

3、，即分片近似。 最后，基于與原問題數(shù)學(xué)模型（基本方程和邊界條件）等效的變微分原理或加權(quán)殘值法，建立有限元方程（即剛度方程），從而將微分方程轉(zhuǎn)化為一組以變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)為未知量的代數(shù)方程組，進(jìn)而借助矩陣和計(jì)算機(jī)求解代數(shù)方程組得到原問題的近似解。 ANSYS是在20世紀(jì)70年代由ANSYS公司開發(fā)的工程分析軟件，開發(fā)初期是為了應(yīng)用于電力工業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域。 ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型

4、；ANSYS分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；ANSYS后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。實(shí)體模型的建立 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：自上而下建模，首先要建立體（或面），對(duì)這些體或面按一

5、定規(guī)則組合得到最終需要的形狀。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創(chuàng)建基座模型。（1）生成長(zhǎng)方體Main Menu：PreprocessorModeling-CreateVolumes-BlockBy Dimensions輸入x1=0,x2=60,y1=0,y2=20,z1=0,z2=60平移并旋轉(zhuǎn)工作平面Utility MenuWorkPlaneOffset WP by IncrementsX,Y,Z Off

6、sets 輸入45,25,15 點(diǎn)擊ApplyXY，YZ，ZX Angles輸入0，90，0點(diǎn)擊OK。創(chuàng)建圓柱體Main Menu：PreprocessorCreateCylinder Solid CylinderRadius輸入15/2, Depth輸入30,點(diǎn)擊OK。拷貝生成另一個(gè)圓柱體Main Menu：PreprocessorCopyVolume拾取圓柱體,點(diǎn)擊Apply, DZ輸入30然后點(diǎn)擊OK從長(zhǎng)方體中減去兩個(gè)圓柱體Main Menu：PreprocessorOperateSubtract Volumes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

7、工作平面與總體笛卡爾坐標(biāo)系一致Utility MenuWorkPlaneAlign WP with Global Cartesian（2）創(chuàng)建支撐部分Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z在創(chuàng)建實(shí)體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值:WP X = 0WP Y = 20Width = 30Height = 35Depth = 15OK 然后Toolbar: SAVE_DB（3）偏移工作平面到軸瓦支架的前表面Utility Menu: WorkPlane - Offset WP to - K

8、eypoints + 1.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（4）創(chuàng)建軸瓦支架的上部Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder 1).在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 30Theta-2 = 90Depth = -15或者在 by dimensions 下建立圓柱體，輸入相應(yīng)的參數(shù)，其余圓柱的創(chuàng)建方式相同。2).OKToolbar: SAVE_DB （5）

9、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Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.)輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 20Depth = -32.)拾取 Apply3.)輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 17Depth = -40拾取 OK（6）從軸瓦支架“減”去圓柱體形成軸孔.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1.

10、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)：Main Menu Preprocessor Numbering Ctrls Merge Items 將Label 設(shè)置為 “Keypoints”, 單擊 OK（7）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):Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Keypoints KP between KPs 拾取如圖的兩個(gè)關(guān)

11、鍵點(diǎn),單擊OKRATI = 0.5,單擊OK（8）創(chuàng)建一個(gè)三角面并形成三棱柱Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Areas- Arbitrary Through KPs 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。Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate Extrude -Areas- Along Normal 拾取三角面, 單擊 OK5.輸入DIST = -3，厚度的方向是向軸承孔

12、中心, 單擊 OKToolbar: SAVE_DB(9)關(guān)閉 working plane display.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)(10)沿坐標(biāo)平面鏡像生成對(duì)稱部分依次選擇Main Menu-Preprocessor-Modeling-Reflect-Volumes，在彈出的拾取對(duì)話框中拾取All按鈕，在彈出的拾取對(duì)話框中拾取Y-Z plane，單擊OK。(11)粘接所有體.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Vo

13、lumes 拾取 AllToolbar: SAVE_DB網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有時(shí)候好的網(wǎng)格劃分不僅可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，而且往往是求解成功的關(guān)鍵。劃分網(wǎng)格一般包括以下三個(gè)步驟：定義單元屬性（TYPE、REAL、MAT）、制定網(wǎng)格的控制參數(shù)、生成網(wǎng)格。體步驟如下：定義材料屬性：Main Menu-Preprocessor-Material-Structural-Linear-Elastic-Isotropic指定線彈性材料的彈性模量EX=2.07e11pa,泊松比PRXY=0.3;單擊OK按鈕選擇單元 依次選擇Main Menu-Preprocessor-Element Typ

14、e-Add/Edit/Delete,在彈出的對(duì)話框中選擇Add按鈕，在左側(cè)Structural中選擇“Solid”,然后從右側(cè)選擇Tet 10 Node 92，單擊OK按鈕。確定操作無(wú)誤后，在工具欄中選擇保存數(shù)據(jù)庫(kù)按鈕（SAVE-DB），保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件。2、用網(wǎng)格劃分工具M(jìn)esh Tool將幾何模型劃分單元 依次選擇Main Menu-Preprocessor-Mesh Tool,啟動(dòng)網(wǎng)格劃分工具，將智能網(wǎng)格劃分（Smart Sizing）設(shè)定為“on”;將滑動(dòng)碼設(shè)置為“6”；確認(rèn)Mesh Tool的各項(xiàng)為“Volumes”,“Tet”和“Free”;單擊MESH按鈕，然后選擇Pick all

15、按鈕，單擊OK按鈕。關(guān)閉Mesh Tool對(duì)話框。效果圖如下所示：確定操作無(wú)誤后，在工具欄中選擇保存數(shù)據(jù)庫(kù)按鈕（SAVE-DB），保存數(shù)據(jù)庫(kù)文件。四、軸承座載荷的施加 1、根據(jù)已有條件有：軸承孔所受到的徑向合力為Fr=18x1000N=18000N;軸承孔半徑r=17mm;軸承孔厚度b=12mm。由于我們整個(gè)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，故整個(gè)軸承座孔的徑向均布載荷=5.6172x107 pa,而實(shí)際情況軸承孔所承受的并非均布載荷，軸承孔最下部分受載荷最大，左右兩腰部分所受載荷最小幾乎為零，即軸承座孔面上所受載荷是非線性的。故，我們將其近似為P1=P0 x0.75=4.2129x107 pa。軸向均布?jí)毫?/p>

16、載荷P2=0.2P0=1.1234x107 pa。2、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(lái)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、Z方向的對(duì)稱約束，而在底面邊線上施加Y方向上為應(yīng)為零的約束。這樣與實(shí)際情況基本相符。3、具體模型加載步驟如下：（1）約束四個(gè)安裝孔依次選擇Main Menu: SolutionDefine LoadApplyStructuralDisplacement Symmetry B.C. On Areas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），單擊OK(2)在整個(gè)基座的底部施加位移約束（UY=0）依次

17、選擇Main Menu: SolutionDefine LoadApplyStructuralDisplacement on Lines + 拾取基座底部的六條邊界線，picking menu中的“count”應(yīng)等于6，單擊OK，選擇 UY 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: SolutionDefine LoadApplyStructuralPressureOn Areas拾取軸承孔上寬度為“3”的所有面OK輸入面上的壓力值“1.1234x107 pa”Apply (4)用箭頭顯示壓力值 依次選擇Utility Menu-PlotCtrls

18、-Symbols，將“Show pres and convect as”選項(xiàng)為“Arrows”，單擊OK按鈕。（5）在軸承孔的下半部分施加徑向壓力載荷依次選擇Main Menu: SolutionDefine LoadApplyStructuralPressureOn Areas拾取寬度為17的所有柱面OK輸入壓力值4.2129x107 paOK。4、求解及結(jié)果分析依次選擇Main Menu-Solution-Solve-Current LS,瀏覽狀態(tài)窗口中出現(xiàn)的信息，然后關(guān)閉此窗口；單擊OK按鈕（開始求解，并關(guān)閉由于單元形狀態(tài)檢查而出現(xiàn)的警告信息）；求解結(jié)束后，關(guān)閉信息窗口米塞斯等效應(yīng)力圖第一應(yīng)力圖由以上各圖可知：軸承座的第一主應(yīng)力基本都是壓應(yīng)力，即