安徽工业大学有限元大作业.docx
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安徽工业大学有限元大作业
安徽工业大学
ANSYS及其应用考核大作业
姓 名:
宋井科
学 院:
机械工程学院
学 号:
149054085
指导老师:
于秀娟
成 绩:
ANSYS及其应用考核大作业
学号:
149054085姓名:
宋井科
1、按图1尺寸建立轴承座的装配模型,具体尺寸参考讲义第9章内容(因结构和载荷的对称性,只建立了一半模型),一半模型中在轴两端作用垂直向下的载荷P1,轴向载荷
,各螺栓预紧力
。
取值:
(学号最后3位数字)
10N,小于1000N时再加上1000N,各摩擦因数
(若轴承座和垫板有相对滑动,造成计算不收敛,可将摩擦因数加大并说明摩擦因数大小)。
要求:
(1)为何采用Ansys计算此结构;
(2)建模过程。
简单叙述;
(3)网格划分。
请尽量采用六面体网格划分,简单叙述,列出分割后的实体图和网格图,并说明单元和节点数;
(4)加载过程(注意一半模型的载荷为整体模型的1/2)。
详细叙述加载部位和加载过程;
(5)计算结果与分析。
列出米塞斯等效应力、第一主应力和变形图,并进行强度分析,若结构需加强,如何改进?
(6)学习体会;
(7)每人必须自己完成,若数据和结果相同按不及格处理。
一、原始数据
1.
模型尺寸
2.载荷大小
解:
因轴向载荷
,各螺栓预紧力
。
取值:
(学号最后3位数字)
10N,小于1000N时再加上1000N,各摩擦因数
(若轴承座和垫板有相对滑动,造成计算不收敛,可将摩擦因数加大并说明摩擦因数大小)。
我的学号后三位为085,所以
=85*10+1000=1850N;P2=0.4*1850=740N
=1850*2=3700N。
基于ANSYS的轴承座的有限元分析
摘要:
本文利用ANSYS14.0对轴承座的强度进行有限元分析。
通过三维实体建模,设置单元类型,设置材料参数,网格划分控制,施加载荷约束建立轴承座的有限元模型,然后对轴承座进行求解,得出应力,位移分布图和变形图,继而对其进行强度分析,找出结构最易破坏的地方。
最后的计算结果表明该轴承座符合强度设计要求。
关键词:
有限元分析、轴承座
引言 :
轴承座可以为轴提供支撑,并且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,保证设备的正常性能具有重要作用。
但由于轴承座形状复杂,传统的解析法无法较为精确地计算其性能。
所以使用有限元分析软件ANSYS,对汽车上的某轴承座的承载特性进行有限元分析。
一.采用Ansys计算的原因
随着现代工业的不断发展,人们对产品质量的要求逐步提高,传统的产品设计技术目前已远远不能满足产品的功能和市场的要求。
而现代设计技术是以电子计算机为手段,以网络为基础,建立在现在管理之上,运用工程设计的新理论、新方法,实现计算机结果最优化,设计过程高效化的设计技术,它是传统设计技术的延伸和发展,它使传统设计技术发生了质的飞跃。
ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。
与其它有限元分析软件如SAP或NAS2TRAN等相比,它有以下特点:
(1)ANSYS是完全的WINDOWS程序,从而使应用更加方便;
(2)产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成,因而能满足各行各业的工程需要;(3)它不仅可以进行线性分析,还可以进行各类非线性分析;(4)它是一个综合的多物理场耦合分析软件,用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究,还可以进行这些分析的相互影响研究,例如:
热—结构耦合,磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合等。
有限元法已成为非常普及的数字化分析方法,国际上已发布了众多的有限元分析软件,因此,甚至可以说只要你能够进行工程设计和画图,就可以进行有限元分析。
因此采用Ansys计算,很方便,很实用。
优势一:
协同
优势二:
多物理场仿真
优势三:
双向参数互动
优势四:
自动探测装配
优势五:
变分优化
二.建模过程
ANSYS也可以直接建模,但由于直接采用ANSYS建模功能并不特别方便,较复杂的模型基本在其它三维CAD软件里建立,通过直接关联的接口或中间文件格式导入。
通常,经常采用导入的文件格式后缀有sat和x_t两种形式,这2种形式导入的模型完整,且可导入装配体模型,导入的模型基本不存在面的破碎等现象,这也是不建议采用igs格式导入模型文件的原因。
首先在三维CAD软件中将模型保存或输出后缀为sat的文件,注意保存的路径和文件名中不要出现中文字符。
如,这里我们可以利用solidworks直接进行建模
1、启动solidworks软件,点击新建按钮
2、选择零件,确定
3、选择任意基准面,进行草图绘制
4、拉伸矩形草图,形成轴承座底座
6、建立如下草图
7、拉伸后如图所示
8、更改基准面,绘制草图,然后拉伸切除,结果如下图所示。
9、在轴承座上底面绘制螺栓孔草图如下图所示,并拉伸切除
10、绘制筋草图
11、拉伸筋,建模完成
12、将模型保存为x_t形式
四、导入模型
选取应用菜单File→Import→Parasolid,出现图8-2所示的ANSYSConnectionforPARASOLID对话框,在指定路径下选择前面保存的x_t文件“songansis.x_t”,注意GeometryType的下拉选项中根据需要选择导入的是实体、面还是线框,单击对话框中的“OK”确认并退出。
图8-2sat格式文件导入
步骤2:
实体模型显示
导入实体模型中,在ANSYS图形窗口中,模型仍以线框形式显示(图8-3)。
选取应用菜单PlotCtrls→Style→SolidModelFacets,弹出图8-4所示的SolidModelFacets对话框,在下拉选择框中选择“NormalFaceting”,单击对话框中的“OK”确认并退出。
选取应用菜单Plot→Replot,图形窗口中模型如图8-5所示,以面的形式显示
图8-3导入实体模型线框显示
图8-4实体模型面显示设置
图8-5导入实体模型面显示
步骤3:
选择单元类型
选取主菜单Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete,在弹出的ElementType对话框中,单击“Add”按钮;在弹出的LibraryofElementTypes对话框左边的列表中,选“StructuralSolid”,然后在右边的列表中选“Brick8node185”(选择8节点的Solid185单元),单击对话框中的“OK”按钮;在返回的ElementType对话框中,单击对话框中的“Close”按钮退出。
步骤4:
定义材料特性
选取主菜单Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels,在弹出的DefineMaterialModeBehavior对话框的右边选项框中,依次单击Structural→Linear→Elastic→Isotropic按钮(表示定义的材料为各向同性的线弹性结构材料类型);在弹出的LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框的EX文本框中,输入“2.06e5”,在PRXY文本框中,输入“0.3”,单击此对话框的“OK”按钮退出;再关闭DefineMaterialModeBehavior对话框。
步骤5:
轴承座体的分割
导入的轴承座可以采用自由网格划分,但这是Solid186单元大多退化为4面体单元和5面体单元,其计算精度大为降低,若采用自由网格,则不如选择10节点的Solid187单元。
在Hypmesh以及ICEM-CFD、Gambit等软件中,可以对复杂结构划分出高质量的6面体单元。
对于不太复杂的结构,在Ansys中,可以通过体的分割等操作,使各体满足体的映射网格划分和体的扫略网格划分的要求,划分得到6面体单元时,其中体的映射网格划分得到的是6面体,而体的扫略网格划分大多划分得到的是6面体,少量是5面体的楔形单元。
三维体映射网格划分的要求和措施:
a)体由6个面、5个面、4个面围成的6面体、楔形或棱形或4面体构成;
b)各面划分符合二维映射网格划分的要求,即面若是4条线,面中相对的线必须划分相同的份数,若面是3条线,则各线划分的份数相等且为偶数;
c)当需要减少围成体的面数以进行映射网格划分时,可以采用面连接,一次只能连接2个面;
d)采用布尔操作中的体分割,将体分割为2块或2块以上的体,每个体满足映射网格前面的3个要求。
三维体扫略网格划分的要求和措施:
a)体由五个以上的面构成;
b)源面与目标面必须拓扑结构相同;
c)侧面和体内线最好从源面贯穿到目标面;
d)可确定体的哪一个边界面作为源面或目标面(可自动确定),也可有选择地对源面、目标面和边界面划分网格并确定扫略操作中生成的单元层的数目;
e)采用布尔操作中的体分割,使分割后的体满足映射或扫略网格划分的要求。
因此,对较复杂的体,不可能直接采用映射或体扫略网格划分的方式,得到六面体单元,必须采用体分割,将复杂的体分割成满足映射或体扫略网格划分的要求。
(1)轴承座上下分割,得到底板和上部结构
工作平面平移到点。
选取应用菜单WorkPlane→OffsetWPtoKeypoints,在图形窗口拾取图8-6所示位置的点35(由于建模过程不同,导入后点号不一定相同,所列出的点号只是表明在图8-6中的位置),在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认,则将工作坐标系平移到了点35。
图8-6工作平面平移到点17
工作平面旋转。
选取应用菜单WorkPlane→OffsetWPbyIncrements,在出现的OffsetWP对话框中,将Degrees上部的拖拉工具条
拖到最右端,此时拖拉工具条上部数值显示为90,再单击对话框中的
,使得工作坐标系的工作平面(WX和WY平面所组成的平面)与底板上表明平行(图8-7)。
图8-7工作平面旋转后效果
采用工作平面分割轴承。
选取主菜单Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→VolubyWrkPlane,在图形窗口选取轴承座(1号体),在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。
此时,底板体号为2,上部结构为体3,在布尔操作后,两个体之间仍有公共面,仍是一个零件。
选取应用菜单PlotCtrls→Numbering,出现图8-8所示的PlotNumberingControls对话框,点击VOLUVolumenumbers后的选择项,使其显示为“On”,注意[/NUM]Numberingshownwith后的下拉选择框为“Colors&numbers”,单击对话框的“OK”按钮退出。
选取应用菜单Plot→Volumes,得到图8-9所示分割后的效果(体2和体3共2个体),其中体1分割后分成体2和体3,原体号没有立即采用。
图8-8显示的元素代号控制
图8-9轴承座分割成底板和上部结构
同理,改变工作平面位置,分割其它体,最终,把轴承座分隔成如下图
所示:
四、网格划分
由于有的体仍不满足体映射网格的要求,若进一步切割虽然能够采用映射网格划分,但会造成相邻的体不满足映射网格的要求,因此,对这些体采用面连接的方式进行处理,使其满足体映射网格的需求,实在不能采用映射网格划分的体,采用体扫略网格划分。
由于映射网格对线的划分网格的份数有要求,所以首先中心开花,划分中心位置的体,再多点扩散,划分周围的体。
(1)体7和体19网格划分
选择图8-20中的体7、体19。
选取应用菜单Select→Entities,出现SelectEnitties对话框,第一行的选择的元素下拉选择框中选择“Volumes”,第二行选择标准下拉选择框中选择“ByNum/Pick”,第三组选择功能设置下拉选择框中选择“FromFull”,单击“Apply”执行按钮键;在图形窗口体7和体19的形心位置单击2次,选中体7和体19,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认(选择体19和体7)。
选择图8-20中的体19、体7所包含的元素(面、线和点,若划分网格后,还包括单元和节点)。
在刚操作的SelectEnitties对话框中,单击选择功能执行按钮“SeleBelo”(选择体7和体19所包含的元素)。
单击应用菜单Plot→Areas,可看出,此时图形窗口中只有体19和体7下包含的面,只有这些面在选择集中。
同样,可查看体19和体7下包含的线及点。
面的显示。
选取应用菜单PlotCtrls→Numbering,在出现的PlotNumberingControls对话框,点击AREAAreanumbers后的选择项,使其显示为“On”,注意[/NUM]Numberingshownwith后的下拉选择框为“Colors&numbers”,单击对话框的“OK”按钮退出。
再调整视角(按住键盘Ctrl键,同时在图形窗口按住鼠标右键移动),使图形窗口如图8-21所示。
图8-21体包含的面显示
体的面连接。
选取主菜单Preprocessor→Meshing→Concatenate→Areas,在图形窗口面46和面13位置单击2次,在出现的鼠标拾取对话框中单击“Apply”确认;再在图形窗口面117和面118位置单击2次,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认。
则面46和13、面117和118中间出现了面连接操作产生的连接面。
线划分网格尺寸控制。
选取主菜单Preprocessor→Meshing→MeshTool,在出现的MeshTool对话框中,单击SizeControls下的Lines后的Set按钮,在图形窗口单击图8-22所示“L83”位置的线,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出,出现ElementSizesonPickedLines对话框,在NDIVNo.ofelementdivisions后的文本框中输入“18”(将选中的线分为18等份),单击对话框中的“Apply”确认;采取同样操作,将图8-22中“L188”位置的线分为10等份,将“29”位置的线分为8等份,将“L51”位置的线分为4等份,将“L21”位置的线分为2等份,将“L161”位置的线分为6等份。
图8-22体9和22中各线位置
体7和体19映射网格划分。
在MeshTool对话框中,由于本例只有一种材料,现阶段只添加了Solid185这一种单元类型,所以不需单击MeshTool对话框中ElementAtrributes下、Global后的Set按钮,设置单元划分时的单元类型、材料等属性。
保证Mesh:
后的下拉选择框中选择的是“Volumes”,选择Shape下网格划分方式选择的是“Mapped”选项,单击“Mesh”按钮,在图形窗口单击2次,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。
得到体7和体19映射划分的网格。
(2)体15和体16网格划分
选取应用菜单Select→Everything,再选取应用菜单Plot→Volumes,显示所有体。
将图8-23中所指“L52”位置的线分为2等份,“L8”位置的线分为18等份。
在MeshTool对话框中,保证Mesh:
后的下拉选择框中选择的是“Volumes”,选择Shape后网格划分方式“Mapped”选项,单击“Mesh”按钮,在图形窗口体15和体16形心位置单击,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出(体15和16映射网格划分)。
图8-23为已划分的的网格。
图8-23已划分网格
(3)其他体的映射网格划分
同理,进行体22和体21网格划分、体4和体8网格划分
(4)8个包括螺栓孔体的网格划分
首先选取8个包括螺栓孔的体。
选择图8-17中的体6、体10-14和体17-18。
其次连接面。
连接各体圆弧面相对的两个面。
再次线等份数控制。
设置各圆弧线(1/4圆)的等份数为16,圆弧线相对的线8等份,各圆弧线相邻的线4等份。
最后将各体采用映射网格划分。
(5)划分剩下体的网格
选择所有已划分网格的体。
选取应用菜单Select→Entities,出现SelectEnitties对话框,第一行的选择的元素下拉选择框中选择“Volumes”,第二行选择标准下拉选择框中选择“ByAttributes”,在出现的属性中点选“Elemtypenum”选项,在Min,Max,Inc下的文本框中输入1(solid185单元类型代号),选择功能设置下拉选择框中选择“FromFull”,单击“Apply”执行按钮键。
选择未划分网格的体。
在SelectEnitties对话框中,第一行的选择的元素下拉选择框中选择“Volumes”,第二行选择标准下拉选择框中选择“ByNum/Pick”,第三组选择功能设置下拉选择框中选择“FromFull”,单击一次选择功能执行按钮“Invert”(反选,即选择了未划分网格的体);再单击选择功能执行按钮“SeleBelo”(选择这些未划分网格的体所包含的元素)。
单击应用菜单Plot→Areas,打开面号显示开关(选取应用菜单PlotCtrls→Numbering,出现PlotNumberingControls对话框,点击AREAAreanumbers后的选择项,使其显示为“On”,注意[/NUM]Numberingshownwith后的下拉选择框为“Colors&numbers”,单击对话框的“OK”按钮退出),得到图8-26所示图形。
图8-26未划分网格的各体及面位置
剩下的体1、体4、和体8中,体1和体4相交的线有条线分成了3段,虽然体1的这3条线可以一次通过线连接方法连接起来,但由于各连接线所分份数不满足要求,仍然不能采用映射网格划分,可以通过体扫略划分网格,基本保障各单元为6面体;体4虽然是6面体,但由于有个面实际上有3块面拼成,虽然3个面也可通过面连接形成一个连接面,但仍不能满足体映射网格划分的要求,可以通过体扫略划分网格;体8可以通过面连接的方式将面连接后采用映射网格划分;体5是6个完整的面形成的长方体,符合映射网格划分的要求。
为了满足前面网格划分各线的等份数要求且划分的网格较规整,先采用体扫略方式划分体4,再采用体扫略方式划分体4,再对体8的面连接后,采用体映射方式划分体8和体4。
体4和体1扫略网格划分。
在MeshTool对话框中,先控制体1斜边的等份数为20,然后保证Mesh:
后的下拉选择框中选择的是“Volumes”,选择Shape后网格划分方式选择的是“Sweep”选项(这时Sweep上方的单元形状变成了Hex/Wedge),单击“Sweep”按钮,在图形窗口体1和体4的形心位置单击2次,在出现的鼠标拾取对话框中单击“OK”确认并退出。
得到体4和体1的体扫略网格。
步骤6:
保存划分的网格
选取应用菜单Select→Everything,再选取应用菜单Plot→Elements,显示所有的单元(图8-27)。
选取应用菜单File→Saveas,在当前工作目录下输入“bearing_block_meshed.db”
图8-27轴承座网格划分
五、建立三维接触模型
步骤1:
更改项目名称
打开上述的DB文件后,项目名称即变为DB文件的文件名EX8_MESHED(图9-2),在操作过程中,保存文件时容易将原来的EX8_MESHED.db覆盖,因此,需更改项目名称。
图9-2打开文件后的项目名称
选取应用菜单File→ChangeJobname,出现图9-3所示ChangeJobname对话框,在文本框中输入“EX9”,单击对话框的“OK”按钮确认退出,则项目名称更改为EX9。
图9-3更改项目名称
步骤2:
定义轴承座的体组合
选取应用菜单Select→Comp/Assembly>CreateComponent,在出现的CreateComponent对话框(图9-4),在“CnameComponentname”后的文本框中输入组合名称“bearing_block_v”,在“EntityComponentismadeof”后的下拉选择框中选择“Volumes”,表示此组合是体元素的组合,点击“OK”确认退出。
图9-4创建轴承座体的组合
步骤4:
复制形成轴承座底板并创建组合
工作坐标复位。
导入的有限元模型由于不明确工作坐标的具体位置和方位,先将其复位,和全局直角坐标系重合,避免创建的模型方位不对。
选取应用菜单WorkPlane→AlignWPwith>GlobalCartesian。
创建底板。
选取主菜单Preprocessor→Modeling→Copy→Volumes,出现CopyVolumes鼠标拾取对话框,单击右侧工具条中的
或选取应用菜单PlotCtrls→PanZoomRotate在出现的Pan-Zoom-Rotate对话框中,单击Front按钮,使得图形窗口显示前视图;在CopyVolumes鼠标拾取对话框中,将Single选项更改为Box,再在图形窗口单击并按住鼠标左键,画出图9-5所示矩形框,将体形心位于矩形框内的体均选中,此时,CopyVolumes鼠标拾取对话框中的Count=0更改为“Count=13”,单击鼠标拾取对话框的“OK”按钮确认;出现图9-6所示的CopyVolumes对话框,在DZ后的文本框中输入“-0.02”,单击对话框的“OK”按钮确认退出。
则底板所包含的13个体均被一次性复制,且这13个体由于原具有共同面,复制后仍具有公共面,是一个零件(若不是一次复制则不具有公共面,成为多个零件,必须进行节点的合并)。
在复制过程中,出现些警告,这是由于原来的EX8_MESHED.db文件在网格划分前,为了采用映射网格划分,面和线连接在网格划分后未清除,这些连接面和连接线不能复制而出现了警告,不影响操作的正确性。
创建底板组合。
选取应用菜单Select→Comp/Assembly>SelectComp/Assembly,在出现的SelectComponentorAssembly对话框(图9-7)中,保证选中的是“byComponentname”,点击OK确认。
再在新出现的SelectComponentorAssembly对话框(图9-8)的“NameComp/Assembtobeselected”后选择“Bearing_block_v”,在“TypeTypeofselection”后的下拉选择框中选择“Unselect”,点击OK确认退出。
选取应用菜单Select→Comp/Assembly>CreateComponent,出现的CreateComponent对话框,在“CnameComponentname”后的文本框中输入组合名称“baseplate_v”,在“EntityComponentismadeof”后的下拉选择框中选择“Volumes”,点击“OK”确认退出。
图9-5矩形框选体
图9-6复制体对话框
步骤5:
创建螺栓
在此例中,不需详细分析螺栓的应力,因此螺栓并不是分析的主要对象,为简化分析过程和计算的资源,对螺栓采用简化建模,即螺栓2端采用2圆环体,中间用圆柱体连接,且圆柱体不露出2端的圆环体。
对
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