ANSYS轴承支架的静力分析.docx

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ANSYS轴承支架的静力分析

轴承支架的静力分析

1.问题的定义

像装在汽轮机汽缸本体或基础上用来支撑轴承的构件,磨损作为轴承座最为常见的问题，轴承座磨损现象也时常发生。

有必要对其进行应力、应变的分析，已求提高工件的使用寿命。

而有限元分析方法在这方面的分析有其优越性，也应用的最广。

有限元法是一种基于变分法（或变分里兹法）而发展起来的求解微分方程的数值计算方法，该方法以计算机为手段，采用分片近似、进而整体逼近的研究思想求解物理问题。

图1轴承支架示意图

2.模型建立

模型建立包括：

定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立三维几何模型；划分有限元网格。

2.1定义单元类型

在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题精度等，选定适合具体分析的单元类型。

本例中选用十节点四面体实体结构单元Tet10Node92。

Tet10Node92可用于计算三维问题。

2.2定义实常数

本实例中选用十节点四面体实体结构单元Tet10Node92，不需要设置实常数。

2.3定义材料属性

本实例所采用的材料属性根据题意得知，弹性模量取2.2E11，泊松比取0.3。

将这两个数据依次输入EX文本框和PRXY文本框即可。

图2定义材料属性

2.4建立三维几何模型

建立实体模型可以通过自上而下和自下而上两个途径：

1、自上而下建模，首先要建立体（或面），对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状。

2、自下而上建模，首先要建立关键点，由这些点建立线、由线连成面等，一般建模原则是充分利用对称性，合理考虑细节。

根据题中的轴承座，由于轴承座具有对称性，只需建立轴承座的半个实体对称模型，在进行镜像操作即可。

采用自下而上的建模方法得到如下图1所示的三维实体模型：

2.4.1建立底座

（1）MainMenu：

Preprocessor->Modeling->Create>Volumes->Block->ByDimensions

输入x1=-100,x2=100,y1=-198,y2=198,z1=0,z2=30；

（2）MainMenu：

Preprocessor->Modeling->Create->Volumes->Block>ByDimensions

输入x1=-100,x2=100,y1=-125,y2=125,z1=0,z2=15；

（3）MainMenu：

Preprocessor->Modeling->Operate>Booleans->Subtract->Volume

图3两个长方体布尔运算

（4）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>PartialCylinder,弹出如下对话框，填入如下数据：

图4输入柱坐标的参数

（5）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Reflect->Volumes（由于模型有很好的对称性，可利用对称性建模，这样更快）；

（6）MainMenu：

Preprocessor->Modeling->Operate>Booleans->Subtract->Volume

图5生成的底座

2.4.2.创建关键点,生成体积

（7）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Create->Keypiont->InActiveCS,弹出的对话框中NPTKeypiontnumber输入71；X=-15，Y=-150,Z=30；

（8）参照上一步的操作，在ANSYS的显示窗口生成以下关键点编号及其坐标：

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）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Arbitrary>ThroughKPS（一定要注意连线的顺序性:

72-71-73-74-78-77-75-76）

图6创关键点生成梯形体

2.4.3创建圆柱体，并显示组合体

首先应偏移工作平面至（60,0,280），

（10）UtilityMenu:

WorkPlane->ChangeActiveCSto->GlobalCylindrical（将当前激活坐标转化为柱坐标系）；

（11）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>PartialCylinder；创建圆柱体WPX输入0，WPY输入0，Radius-1输入75，Theta-1输入0，Radius-2输入0，Theta-2输入360，Depth输入120，点击Apply.

图7创建圆柱体

2.4.4形成圆柱的轴孔

（12）MainMenu：

Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder->SolidCylinder；创建圆柱体WPX输入0，WPY输入0，Radius-1输入40，Depth输入120，继续创建第2个圆柱体WPX输入0，WPY输入0，Radius输入50，Depth输入40，点击OK生成2个圆柱体。

点击Apply

（13）选取Booleans->Subtract->Volumes命令，将联轴体大圆柱中减去刚生成的2个圆柱体，从而形成轴孔。

2.4.5连结所有体并显示组合体

（14）选择Booleans->Glue->Volumes命令，再点击PickAll命令

（15）选择Booleans->Add->Volumes命令，再点击PickAll命令

打开体号显示开关并画体。

最终结果如图6所示。

图8圆柱体的布尔运算生成轴孔

2.5划分有限元网格

本实例采用的网格划分方法是Tet10Node92单元对三维实体划分自由网格，在ANSYS的选择体进行网格划分的对话框中，点击PickAll，将所有体都进行网格划分。

（16）MainMenu：

Preprocessor>Meshing->SizeCntrls->ManualSize>Global>Size，在SIZEElementedgelength的文本框中输入15，

（17）MainMenu：

Preprocessor>Meshing>Mesh>Volume>Free，网格自由划分的最后结果如图7所示。

图9划分网格之后的轴承支架

3.定义边界条件

3.1轴承座的约束情况：

根据实际结构和安装情况，轴承座是靠底座的四个螺栓孔与安装基座相连接来实现固定的，此处为刚性约束，可以在其孔面上施加限制X、Y方向的对称约束，而在底面边线上施加Z方向上为应为零的约束。

这样与实际情况基本相符。

3.2具体模型加载步骤如下：

（1）约束4个安装孔

依次选择MainMenu:

Solution->DefineLoad->Apply->Structural->Displacement->SymmetryB.C.->OnAreas

拾取两个安装孔的4个柱面（每个圆柱面包括两个面），单击OK

（2）在整个基座的底部施加位移约束（UZ=0）

依次选择MainMenu:

Solution->DefineLoad->Apply->Structural>Displacement>onLines+

拾取基座底部的8条边界线，单击OK，选择UZ作为约束自由度，单击OK。

（3）在导孔端面上施加推力载荷（面载荷）

MainMenu:

Solution>DefineLoad>Apply>Structural>Pressure>OnAreas→拾取轴承孔上所有面→OK→输入压力值1500

→Apply

（4）在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷

依次选择MainMenu:

Solution>DefineLoad>Apply>Structural>Pressure>OnAreas→拾取宽度为17的所有柱面→OK→输入压力值4000（只能加左右半圆，上下半圆加载不了，因为本实验还应考虑下半圆的加载）

图10显示加载

4.求解与查看结果

求解：

MainMenu:

Solution->Slove->CurrentLS,弹出对话框，点OK.

4.1查看变形

MainMenu:

GeneralPostproc->PlotResult->ContourPlot->NodalSolu->DOFSolution

分别查看X，Y，Z三个方向的位移，并且查看本实例的总位移。

选择Def+undefedge（变形后和未变形轮廓线），如图11所示：

（a）X轴方向的位移（b）Y轴方向的位移

（C）Z轴方向的位移（d）Displacementvectorsum

图11变形图

4.2查看应力

MainMenu:

GeneralPostproc->PlotResult->ContourPlot->NodalSolu->Stress

查看vonMises等效应力分布。

选择Defshapeonly（仅显示变形后模型），再分别查看X，Y，Z三个方向的应力，如图12所示：

（a）vonMisesstress（b）x轴方向的应力

（c）Y轴方向的应力（d）Z轴方向的应力

图12应力图

5.结果分析

5.1从位移结果分析

从图11的变形图，我们能看出X方向的位移主要集中在大轴孔与小轴孔下半圆的孔台上，尤其是在二者交界的部位：

Y方向的位移在大孔轴的外边缘比较大，左边缘较小；而Z方向的位移则集中在大轴孔的上边缘，下边缘由于加了加强劲，故变形较小；对于总位移来说，大轴孔上半圆附近的总位移相当大，尤其在最顶端，位移达到最大，而孔德最下端最小，是因为加了加强劲。

5.2从应力结果分析

从图12的应力图可以看出，我们能看出）vonMisesstress的等效应力大轴孔德外边缘比较大，最低点最大；X方向的应力在整个模型中分布较均匀，主要集中在大孔与小孔的交界处；Y方向大孔的最低点应力最大，左右端点最小；而Z方向的应力则集中在大孔的左右部分。

参考文献

[1]杜平安，于亚婷，刘建涛.有限元-原理、建模及应用（第二版）.北京：

国防工业出版社，2011.8

[2]肖新标，沈火明等.ANSYS7.0实例分析与应用.北京：

清华大学出版社，2004年

[3]张朝晖主编.ANSYS12.0结构工程应用实例解析-3版.北京:

机械工业出版社，2010.1

[4]张洪信，管殷柱主编.有限元基础理论与ANSYS11.0应用.北京:

机械工业出版社，2009.10