完整版有限元课程设计.docx

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完整版有限元课程设计

一、前言

轴承座在机床生产中很常见，在各类机器·机构中都有它存在的身影，由于轴承座本身结构并不是太复杂，所以没有借助其他类型的三维软件建模，而是在ansys环境下建立的模型。

轴承座的受力主要是分布在轴承孔圆周上，还有轴承孔的下半部分的径向压力载荷。

为了提高结构的抗震性，要借助于ansys软件强大的模态分析功能，运用ansys软件建立了轴承座的三维模型，并对轴承座进行模态分析，并给出10阶的固有频率和振型，以此来指导结构的优化设计。

1.1ANSYS概述

ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，可广泛用于航空航天、土木工程、机械制造、车辆工程、生物医学、核工业、电子、造船、能源、地矿、水利、轻工等一般工业及科学研究。

它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如NASTRAN、ALGOR、I-DEAS、Pro/Engineer、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

1.2ANSYS的主要功能

Ansys有限元软件是一个多用途的有限元计算机设计程序，目前，有限元法从她最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场·流体场·电磁场·声场等其他连续介质领域，在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以动态分析。

软件主要包括三个部分:

前处理模块·分析计算和后处理模块。

前处理模块

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型。

分析计算模块

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

后处理模块

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

1.3课程设计的性质

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。

这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

通常，模态分析都是指试验模态分析。

自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性。

通过自由模态的分析，可以对结构本身的尺寸、材料、振动情况等有个大概的了解。

在不同的约束状态下，结构的固有频率和振动模态会发生改变，因此在施加约束之后的模态分析能够反映结构的真实振动情况，研究约束对模态的影响。

1.4设计方案的拟定

1.4.1创建有限元模型

（1）单元属性定义（单元类型，材料属性）

（2）创建或读入几何实体模型、几何模型和单元选择一般同静力学步骤

（3）有限元网络划分

1.4.2施加载荷进行求解

（1）施加约束条件，载荷条件

（2）定义分析选项和求解控制

1.4.3后处理

（1）查看分析结果

（2）检验结果

1.5ANSYS软件主要特点

主要技术特点

●唯一能实现多场及多场耦合分析的软件

●唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件

●唯一具有多物理场优化功能的FEA软件

●强大的非线性分析功能

●多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置

●支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台用户界面统一、数据文件全不兼容

●强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并存

●多种自动网格划分技术，良好的用户开发环境

二、创建3D有限元模型

问题阐述及解析：

建立图1所示的三维轴承支座模型，已知支座的弹性模量E=210GPa，泊松比为0.3，密度ρ=7.9X10^3kg/m^3,求出其前10阶自由模态。

图1轴承支座尺寸

操作步骤拟采用自底向上建模方式建模

2.1定义单元类型

菜单路径MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,弹出“Elementtype”对话框。

单击对话框的【Add】按钮，打开“LibraryofElementType”对话框，选择Solid大类中的10node92类型的单元，即Solid92单元。

单击【OK】按钮之后可以看到“ElementType"对话框中增加了一个名为Solid92的单元类型。

单击【Close】按钮关闭该对话框。

如图2

图2“Elementtypes”对话框

2.2定义材料属性

菜单路径MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,弹出如下图所示对话框，按照Structural>Linear>Elastic>Isotropic的顺序在上述对话框的右侧进行选择，在弹出的“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框中对线弹性各向同性的材料参数进行设置，令“EX=210E9,PRXY=0.3”。

单击【OK】按钮关闭该对话框，在“DefineMaterialModelBehavior”对话框右侧选择Density,弹出“DensityofMaterialNumber1”对话框，如图3，设定“DENS=7900”，单击【OK】按钮关闭该对话框。

最后关闭“DefineMaterialModelBehavior”对话框，完成材料属性设置。

图3“DefineMaterialModelBehavior”对话框

2.3创建几何模型

1）建立底座

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions,弹出如图2所示“CreateBlockbyDimensions”对话框。

设定“X1=-100,X2=100,Y1=0,Y2=-25,Z1=0,Z2=100”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply]继续建立下一个矩形块。

图4“CreateBlockbyDimensions”对话框

2）建立中间轴承套所在的矩形块

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions,在弹出的“CreateBlockbyDimensions”对话框中设置X1=-50,X2=50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=75”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply]继续建立下一个矩形块。

3）建立右支架

（1）移动工作平面。

菜单路径UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>XYZLocations,弹出“OffsetWPtoXYZLocations”对话框,在输入框中输入“50”,将工作平面的中心沿着X正方向移动50。

单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。

（2）建立右支架。

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions设定“X1=0,X2=50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=13”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply]继续建立下一个矩形块。

4）建立左支架

（1）移动工作平面.菜单路径UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>XYZLocations,弹出如图4所示“OffsetWPtoXYZLocations”对话框,在输入框中输入“-50,0,0”将工作平面的中心沿着X负方向移动50。

单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。

（2）建立右支架。

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions,在弹出的“CreateBlockbyDimensions”对话框中设置X1=0,X2=-50,Y1=0,Y2=50,Z1=0,Z2=13”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置,或者单击【Apply]继续建立下一个矩形块。

支架建立后如图6所示：

　　　　　　　　　　　　　　图6左右支架的建立

5）建立半圆槽

（1）移动工作平面。

菜单路径UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>XYZLocations，弹出“OffsetWPtoXYZLocations”对话框，在输入框中输入“0,50,0”,将工作平面的中心沿着Y正方向移动50。

单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。

（2）建立轴体。

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>ByDimensions，弹出如图7所示“CreateCylinderbyDimensions”对话框。

设置“RAD1=0，RAD2=45，Z1=0，Z2=75，THETA1=0，THETA2=360”,单击【OK】按钮关闭对话框并完成设置。

图7“CreateCylinderbyDimensions”

（3）体相减得到槽体。

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volumes，弹出“SubtractVolumes”对话框。

先用鼠标左键单击选择减去后保留的体，单击鼠标中键，然后选择要被减去的体，单击鼠标中键，就完成了槽体的建模，如图8所示：

图8体相减得到槽体

6）定义左右支架的支架孔

（1）利用局部坐标系，移动工作平面。

建立局部坐标系。

菜单路径UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc,弹出如图9所示“CreateCSAtLocation”对话框，在输入框中输入“75,25,0”将工作平面的中心沿着X正方向移动75，沿着Y正方向移动25。

单击【OK】按钮关闭对话框并打开“CreateLocalCSAtSpecifiedLocation”对话框，设置“KCS=Cylindrical1”,将坐标系定义为柱坐标系，单击【OK】按钮关闭对话框。

将工作平面移动到上面定义的局部坐标系。

菜单路径UtilityMenu>WorkPlane>AlignWPwith>SpecifiedCoordSys，弹出如图10所示“AlignWPwithSpecifiedCS”对话框，输入刚刚建立好的坐标系11，单击【OK】按钮关闭对话框。

图9“CreateLocalCSAtSpecifiedLocation”对话框

　图10“AlignWPSpecifiedCS”

（2）建立圆柱体，相减成孔。

建立圆柱体。

菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cylinder>ByDimensions，弹出“Crea