基于ANSYS的轴承座有限元分析

基于ANSYS的轴承座有限元分析

摘 要:NSYS软件具有建模简单、快速、方便的优点，因而成为大型通用有限元程序的代表。基于有限元思想，运用ANSYS软件建立了轴承座的三维模型，对轴承座进行强度分析．先通过选择单元类型，划分网格、施加边界条件等步骤建立轴承座的有限元模型，再对轴承座进行强度和变形分析，找出结构最易破坏的位置。计算结果表明该轴承座强度符合设计要求。

关键词:轴承座; 有限元；ANSYS;实体建模；网格划分

Finite Element Analysis of Bearing Seat Based on ANSYS

Abstract：Because the software of ANSYS has the characteristeristics Such as model building simply,fast and conveniently,it becomes the representation of large universal finite element procedure.Based On finite element theory．the 3D model of a beating block was established with ANSYS software carry out the intensity analysis for bearing seat ．At first，establish the selecting unit type，dividing grid，and imposing boundaries；then，carry out intensity and distortion analysis and find out the most fragile components of the system．The result presented that the intensity of this bearing seat could reach the design request. Keywords:bearing seat；finite element;ANSYS;the entity sets up the mold;the mesh divide the line

1 前言

作为工业领域中不可或缺的配件，轴承座在汽车、航空、冶金、矿山等行业的应用越来越广泛。轴承座不仅为轴提供支撑，还承受轴传递的各种载荷。一个可靠的轴承座对于减轻轴的偏心振动，保证机械设备的作业具有重要作用。但由于轴承座的形状复杂，传统的解析法在计算轴承座的承载性能时存在较大误差。故基于有限元分析软件ANSYS，对轴承座的承载特性进行分析。

有限元法是目前工程技本领域内适用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。它是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元组合而成。有限元系统可以转化为一个数学模式，并根据数学模式，进而得到该有限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。随着计算机技术的迅速发展，有限元方法现在已经广泛应用予机械、宇航航空、汽车、船舶、土本、核工程和海洋工程等领域，己成为现代设计理论中强有力的设计方法之一。目前国际上大型的有限元分析程序主要有ANSYS，NASTRAN，ASKA，AUTOFORM、CFORM、eta／Dynaform等。其中以ANSYS为代表的有限元软件具有以下优点：减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期：增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗和成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；可以进行模拟实验分析；进行机械事故分析，查找事故原因。

2 ANSYS软件的使用方法

应用ANSYS软件对产品进行模拟和分析时，一般要经历如图1所示的步骤，即前处理、求解计算和后处理。

图1 ANSYS分析计算的基本流程

2.1 前处理

双击实用菜单中的Preprocessor, 进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容: 实体建模和网格划分。

ANSYS 程序提供了两种实体建模方法: 自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时, 用户定义一个模型的最高级图元, 如球、棱柱, 称为基元, 程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型, 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模, 用户均能使用布尔运算来组合数据集, 从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS 程序提供了完整的布尔运算, 诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时, 对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷

贝和删除。自底向上进行实体建模时, 用户从最低级的图元向上构造模型, 即:用户首先定义关键点, 然后依次是相关的线、面、体。ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对CAD 模型进行网格划分的功能。包括4 种网格划分方法: 延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分, 然后选择合适的单元属性和网格控制, 生成映像网格。ANSYS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的, 可对复杂模型直接划分, 避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后, 用户指示程序自动地生成有限元网格, 分析、估计网格的离散误差, 然后重新定义网格大小, 再次分析计算、估计网格的离散误差, 直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

2.2 加载及求解

在该阶段, 用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项, 然后开始有限元求解。加载即用边界条件数据描述结构的实际情况, 即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有: 自由度约束位移、节点力( 力, 力矩) 、表面载荷压力、惯性载荷( 重力加速度, 角加速度) 。可以在实体模型或FEA( 有限元分析) 模型( 节点和单元) 上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格, 重新划分网格或局部网格修改不影响载荷; 同时加载的操作更加容易,尤其是在图形中直接拾取时。但要注意: 无论采取何种加载方式, ANSYS 求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此, 加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。

2.3 后处理

后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如, 计算结果( 如应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示, 不同的等值线颜色, 代表了不同的值( 如应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范围) , 清晰地反映了计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果, 如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线, 有助于形象化地表示分析结果。

3 基于ANSYS的轴承座有限元分析实例

求轴承座装配体的应力及应变，在距轴末端处受到61KN的力。假设所有零件的材料都是钢，轴承座具体尺寸见图2。利用ANSYS软件对滑动轴承座进行实体建模、网格划分、加载、求解及后处理。

图2 轴承座模型

1 前处理

（1）实体建模 1) 创建基座模型

生成长方体Main Menu：Preprocessor>Create>B10ck>By Dimensions 平移并旋转工作平面Utility Menu>workPlane>Offset WP by Increments 创建圆柱体Main Menu：

Preprocessor>Create>Cylinder>Solid Cylinder 拷贝生成另一个圆柱

Main Menu：Preprocessor>Copy>Volume拾取圆柱体，Apply，DZ输入1.5，OK。 从长方体中减去两个圆柱体Main Menu： Preprocessor>Operate>Subtract Volumes 使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致

Utility Menu>WofkPlane>Align WP with>Global CartesJan 2) 创建支撑部分

Utility Menu：WorkPlane一>Display Working Plane(toggle on)

Main Menu：Preprocessor一>一Modeling—Create一>一Volumes～Block

一>—By 2 corners＆Z

3）偏移工作平面到轴瓦支架的前表面

Utility Menu：WorkPlane一>Offset WP to一>Keypoints 4）创建轴瓦支架的上部

Main Menu： Preprocessor 一> Model ing—Create 一>Volumes-Cylinder一>Partial Cylinder

5）在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备

Main Menu：Preprocessor一>Modeling—Create一>Volume-Cylinder一>Soiid Cylinder

6)从轴瓦支架“减”去圆柱体形成轴孔

Main Menu：Preprocessor一>Model ing—Operate一>Subtract一>Volumes 合并重合的关键点：Main Menu>Preprocessor>Numbering Ctrls>Merge Items。 7)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：

Main Menu>Preprocessor>一Modeling—Create>Keypoints>KP between KPs 8)创建一个三角面并形成三棱柱Main Menu>Preprocessor>一Model ing—Create>一Areas—Arbitrary>Through KPs a)拾取轴承孔座与整个基座的交点。 b)拾取轴承孔上下两个体的交点

c)拾取基座上上步建立的关键点，单击0K完成了三角形侧面的建模。

d)沿面的法向拖拉三角面形成一个三棱柱。

Main Menu>Preprocessor>一Modeling—Operate>Extrude>一Areas—Along Normal

e)输入DIST=-0.15，厚度的方向是向轴承孔中心。 9)关闭working plane display

Utility Menu：WorkPlane一>Display Working Plane(toggle off) 10)沿坐标平面镜射生成整个模型

Main Menu： Preprocessor 一> Modeling—Reflect 一>Volumes 11)粘接所有体 Main Menu： Preprocessor一>Modeling—Operate一>Booleans-Glue一Vol umes 实体建模后的结果如图3所示。

图3 轴承座实体

（2）网格划分

1)定义单元类型1为10一节点四面体实体结构单元(SOLID92) Main Menu： Preprocessor 一> Element Type 一>Add／Edit／Delete?一>Solid一>Tet

2)定义材料特性．

Main Menu：Preprocessor一>Material Props一>Material Models ->Structural一>Linear一>Elastic一>Isotropic?一>Ex(弹性模量)： 30e6；PRXY(泊松比)：0．3

3)用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元

Main Menu：Preprocessor一>Meshing一>MeshTool? a)将智能网格划分器(Smart Sizing)设定为“on” b)将滑动码设置为“8”

C)确认MeshTool的各项为：Volumes，Tet，Free d)MESH

网格划分后的结果如图4所示。

图4 轴承座网格

（3）边界条件

轴承座与轴为对称体，故只需建立一半模型，在对称面上施加对称载荷；轴承座底板固定，故在底板底面上施加Y、Z方向的约束；轴为一部分，故在轴末端施加对称约束。约束命令流如下： /solu time,1 csys,0

asel,s,loc,x,-0.032,-0.033 da,all,symm asel,s,,,239 asel,a,,,301 da,all,symm

轴承座与底板用螺栓连接，在螺栓头部和轴承座之间、螺母与底板之间、底板与轴承座之间添加接触对；轴与轴承座孔配合，在轴承座孔与轴之间添加接触对。命令流如下： /prep7 et,2,173 et,3,170 r,3 csys,0 asel,s,,,a asel,a,,,b nsla,s,1 type,2 real,3 esurf,all alls asel,s,,,c nsla,s,1 type,3 real,3 esurf,all alls

a,b,c为需要设置接触对的面号。以此类推，设置其他接触对，整个模型接触对示意图如图5。

图5 接触对模型 螺栓起连接作用，在两个螺栓上施加预紧力。命令流为： /prep7

PSMESH,1,b1,,volu,m,0,y,-0.034,,,,b1_2 sload,1,9,lock,forc,15000,1,2

PSMESH,2,b1,,volu,n,0,y,-0.034,,,,b1_2 sload,2,9,lock,forc,15000,1,2

m,n为两个螺栓杆的体号，-0.034怎为螺栓杆中心位置的y坐标。 在轴端线上施加45KN的力。

lsel,s,,,130 lsel,a,,,141

nsla,s,1

f,all,fy,-45000/65

65为轴端线上的节点数，用Select选取线，再选线上的节点，用Run-Time State下的All Statistic显示所选节点个数。

2 加载及求解

(1)加载

1)约束圈个安装孔

Main Menu：Solution一>Loads—Apply一>Structural—Displacement—>Symmetry B.C.—On Areas

2)整个基座的底部施加位移约束(UY=0)

Main Menu：Solution～>Loads—Apply一>Structural—Displacement一>on Lines 3)在轴承孔圆周上施加推力载荷

Main Menu：Solution一>Loads—Apply一>Structural—Pressure一>On Areas 4)在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，这个载荷是由予受重载的轴承受到支撑作用而产生的。

While still in 一>Loads>Apply一>Structural—Pressure一>On Areas (2)求解

Main Menu：Solution一>Solve—Current LS

3 后处理

Main Menu：General Postproc一>Plot Results一>Contour Plot-Nodal Solu一>stress一>yon Mises(等效应力)

求解完成后得到模型的应力、应变图如图6、7所示。

图6 整体应变图

图7 去掉轴后应力图

由上图可知，模型的最大变形发生在轴的末端，与实际情况相符；模型最大应力出现在轴承孔上，与实际相符。

4 总结

相对于其他应用软件，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一个非常重要的软件。在刚开始学习的时候会无从下手，但用心学习之后，就会知道如何去学习它，也会有了学习ANSYS的乐趣。

我们要多问问题多积累经验。学习ANSYS的过程实际上是一个不断解决问题的过程，问题遇到的越多，解决的越多，实际运用ANSYS的能力才会越高。对于初学者，必将会遇到许许多多的问题，对遇到的问题最好能记下来，认真思考，逐个解决，积累经验。只有这样才会印象深刻，避免以后犯类似的错误，即使遇到也能很快解决。

其实，ANSYS的使用并不难，并不需要思考多少问题，学ANSYS真正难的是将一个实际问题转化为一个ANSYS能够解决且容易解决的问题。这才是学习ANSYS所需要解决的一个核心问题，所以在以后的学习中，我要在基础知识掌握好并多加练习的前提下，还要多加强这方面的锻炼，多思考，多问问题，与同学多多交流。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o30p.html