基于ANSYS的軸承座結(jié)構(gòu)分析一、有限元單元法與ANSYS簡介

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)，選擇簡單近似函數(shù)來分片逼近未知的求解函數(shù)，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)動器械等領(lǐng)域。

ANSYS軟件主要包括三個部分：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；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）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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，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，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。二、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途徑：1、自上而下建模，首先要建立體（或面），對這些體或面按一定規(guī)則組合得到最終需要的形狀。2、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，由于軸承座具有對稱性，只需建立軸承座的半個實(shí)體對稱模型，在進(jìn)行鏡像操作即可。采用自下而上的建模方法得到如下圖1所示的三維實(shí)體模型：（1）生成長方體MainMenu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Block>ByDimensions輸入x1=0,x2=60,y1=0,y2=20,z1=0,z2=60平移并旋轉(zhuǎn)工作平面UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPbyIncrementsX,Y,ZOffsets輸入45,25,15點(diǎn)擊ApplyXY，YZ，ZXAngles輸入0，－90，0點(diǎn)擊OK。創(chuàng)建圓柱體MainMenu：Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinderRadius輸入15/2,Depth輸入－30,點(diǎn)擊OK。拷貝生成另一個圓柱體MainMenu：Preprocessor>Copy>Volume拾取圓柱體,點(diǎn)擊Apply,DZ輸入30然后點(diǎn)擊OK從長方體中減去兩個圓柱體MainMenu：Preprocessor>Operate>SubtractVolumes首先拾取被減的長方體，點(diǎn)擊Apply,然后拾取減去的兩個圓柱體，點(diǎn)擊OK。使工作平面與總體笛卡爾坐標(biāo)系一致UtilityMenu>WorkPlane>AlignWPwith>GlobalCartesian（2）創(chuàng)建支撐部分MainMenu:

Preprocessor->-Modeling-Create->-Volumes-Block->By2corners&Z在創(chuàng)建實(shí)體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值:

WPX=0

WPY=20

Width=30

Height=35

Depth=15OKToolbar:

SAVE_DB（3）偏移工作平面到軸瓦支架的前表面UtilityMenu:WorkPlane->OffsetWPto->Keypoints+1.

在剛剛創(chuàng)建的實(shí)體塊的左上角拾取關(guān)鍵點(diǎn)2.

OKToolbar:

SAVE_DB（4）創(chuàng)建軸瓦支架的上部

MainMenu:Preprocessor->Modeling-Create->Volumes-Cylinder->PartialCylinder

+1).

在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù):

WPX=0

WPY=0

Rad-1=0

Theta-1=0

Rad-2=30

Theta-2=90

Depth=-15或者在bydimensions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）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MainMenu:Preprocessor->Modeling-Create->Volume-Cylinder->SolidCylinder+1.)

輸入下列參數(shù):

WPX=0

WPY=0

Radius=20

Depth=-32.)

拾取Apply3.)

輸入下列參數(shù):

WPX=0

WPY=0

Radius=17

Depth=-404.)

拾取OK（6）從軸瓦支架“減”去圓柱體形成軸孔.MainMenu:Preprocessor->Modeling-Operate->Subtract->Volumes

+1.

拾取構(gòu)成軸瓦支架的兩個體，作為布爾“減”操作的母體。單擊Apply2.

拾取大圓柱作為“減”去的對象。單擊Apply3.

拾取步1中的兩個體，單擊Apply4.

拾取小圓柱體，單擊OKToolbar:

SAVE_DB合并重合的關(guān)鍵點(diǎn)：–MainMenu>Preprocessor>NumberingCtrls>MergeItems?將Label設(shè)置為“Keypoints”,單擊[OK]（7）創(chuàng)建一個關(guān)鍵點(diǎn)在底座的上部前面邊緣線的中點(diǎn)建立一個關(guān)鍵點(diǎn):–MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>Keypoints>KPbetweenKPs+?拾取如圖的兩個關(guān)鍵點(diǎn),單擊[OK]?RATI=0.5,單擊[OK]（8）創(chuàng)建一個三角面并形成三棱柱MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>ThroughKPs+1.

拾取軸承孔座與整個基座的交點(diǎn)。2.

拾取軸承孔上下兩個體的交點(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三棱柱。–MainMenu>Preprocessor>-Modeling-Operate>Extrude>-Areas-AlongNormal+?拾取三角面,單擊[OK]5.

輸入DIST=-3，厚度的方向是向軸承孔中心,單擊[OK]Toolbar:

SAVE_DB(9)關(guān)閉workingplanedisplay.UtilityMenu:WorkPlane->DisplayWorkingPlane(toggleoff)(10)粘接所有體.MainMenu:Preprocessor->Modeling-Operate->Booleans-Glue->Volumes

+拾取AllToolbar:

SAVE_DB

三、網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有時候好的網(wǎng)格劃分不僅可以節(jié)約計(jì)算時間，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。

為了精確揭示軸承座的應(yīng)力、變形情況，建模時考慮到軸承座的對稱剖分式，它的具體結(jié)構(gòu)和載荷具有對稱性，因此我們?nèi)∫粋€軸承座的一半進(jìn)行分析。在進(jìn)行劃分網(wǎng)格時，單元類型采用20節(jié)點(diǎn)的SOLID95六面體單元，使用掃掠網(wǎng)格對體進(jìn)行劃分，同時對網(wǎng)格劃分進(jìn)行控制，是那些不能進(jìn)行掃掠的部分實(shí)體自動進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。具體步驟如下：1、定義材料屬性：依次選擇MainMenu->Preprocessor->Material->Structural-Linear-Elastic-Isotropic在彈出來的對話框中指定線彈性材料的彈性模量EX=2.07e11pa,泊松比PRXY=0.3,單擊OK按鈕確定操作無誤后，在工具欄中選擇保存數(shù)據(jù)庫按鈕（SAVE-DB），保存數(shù)據(jù)庫文件。2、用網(wǎng)格劃分工具M(jìn)eshTool將幾何模型劃分單元

依次選擇MainMenu->Preprocessor->MeshTool,啟動網(wǎng)格劃分工具，將智能網(wǎng)格劃分（SmartSizing）設(shè)定為“on”;將滑動碼設(shè)置為“8”；確認(rèn)MeshTool的各項(xiàng)為“Volumes”,“Tet”和“Free”;單擊MESH按鈕，然后選擇Pickall按鈕，單擊OK按鈕。關(guān)閉MeshTool對話框。效果圖如下所示：

確定操作無誤后，在工具欄中選擇保存數(shù)據(jù)庫按鈕（SAVE-DB），保存數(shù)據(jù)庫文件。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。由于我們只截取一半模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，故半個軸承座孔的徑向均布載荷

P0=

=5.6172x107pa,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=P0x0.75=4.2129x107pa。軸向均布壓力載荷P2=0.2P0=1.1234x107pa。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螺栓孔與安裝基座相連接來實(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）約束兩個安裝孔依次選擇MainMenu:Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Displacement→SymmetryB.C.→OnAreas拾取兩個安裝孔的4個柱面（每個圓柱面包括兩個面），單擊OK(2)在整個基座的底部施加位移約束（UY=0）依次選擇MainMenu:Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Displacement→onLines+拾取基座底部的三條邊界線，pickingmenu中的“count”應(yīng)等于3，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）MainMenu:Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→拾取軸承孔上寬度為“3”的所有面→OK→輸入面上的壓力值“4.2129x107

pa”→Apply

(4)用箭頭顯示壓力值

依次選擇UtilityMenu->PlotCtrls->Symbols，將“Showpresandconvectas”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MainMenu:Solution→DefineLoad→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→拾取寬度為17的所有柱面→OK→輸入壓力值1.1234x107

pa→OK

依次選擇MainMenu->Solution->Solve-CurrentLS,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)閉信息窗口最終得到的模型加載如下圖所示：

4、求解及結(jié)果分析

米塞斯等效應(yīng)力圖

第一主應(yīng)力圖

X方向應(yīng)力圖

Y方向應(yīng)力圖

Z方向應(yīng)力圖

變形圖五、學(xué)習(xí)總結(jié)5、學(xué)習(xí)總結(jié)

這學(xué)期學(xué)習(xí)了《機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析——ANSYS與ANSYSWorkbench工程應(yīng)用》，這是一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)的過程中遇到了不然難題，但在上機(jī)實(shí)驗(yàn)的過程中，按照老師所給例子以及操作步驟使我操作起來書上面的例子也熟悉了。可以說這些例子的操作還是很好的加深了我對這個軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用，但是，現(xiàn)在來說，僅僅知道這