轴承座有限元法分析与建模

有限元法分析与建模课程设计报告学 院 ：机械与电子工程学院专 业：机械设计制造及其自动化指导教师 ：刘建树、王洪新、林华、周小超、张昌春学 生 ：葛睿学 号 ：摘要本文用ANSYS建立轴承座的三维模型，并运用ANSYS强大的有限元分析和优化功能来实现轴承座的分析。ANSYS 是一款极其强大的有限元分析软件。通过数据接口，ANSYS 可以方便的实现从CAD 软件中导入实体模型。因此，将Pro/E 强大的建模功能与ANSYS 优越的有限元分析功能结合在一起可以极大地满足设计者在设计过程中对建模与分析的需求。关键词：轴承座，有限元，ANSYS目录第一章 引言21.1有限元法及其基本思想21.2 问题描述2第二章 轴承座有限元分析的准备工作32.1建模过程及思路32.2设置单元类型32.3定义材料属性42.4轴承座三维实体建模42.4.1创建基座模型42.4.2创建轴瓦支架的下部142.4.3创建轴瓦支架的上部152.4.4创建232.4.5构建轴承座整体312.5创建网格32第三章 有限元模型的前处理和求解343.1定义分析类型343.2约束个安装孔343.3约束基座底部向位移353.4在轴承孔圆周上施加推力载荷373.5在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷383.6求解40第四章 有限元模型的后处理和结果分析414.1绘制轴承座的变形形状414.2绘制轴承座位移分布等值线图434.3查看轴承座各节点位移444.4绘制轴承座应力分布等值线图454.5查看轴承座节点最大应力46总 结48参考文献48第一章 引言1.1有限元法及其基本思想有限元方法就是把一个原来是连续的物体剖分成有限的单元，且它们相互连接在有限的节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件在进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，在综合求解。由于单元的个数有限，节点的个数也有限，所以这种方法称为有限元法。有限元法解决问题是物理模型的近似，而数学上不做近似处理。其概念清晰，通用性与灵活性兼备，能灵活妥善处理各种复杂问题。1.2 问题描述如图所示，为一个轴承座。弹性模量为30*106，泊松比0.37.轴承孔圆周上受到1200a恒定的推力载荷，在轴承孔的下半部分受到4500a的径向压力载荷的情况。图1-1第二章 轴承座有限元分析的准备工作2.1建模过程及思路分析制定方案材料性质：弹性模量E=3106Pa，泊松比v=0.37。边界条件：轴承座底部受约束（UY=0），底座四个安装孔对称位移约束。单元：solid187。荷载：图1-1中沉孔径向内柱面承受外推压力为Pa和轴承孔柱面下部分承受向下压力Ps。2.2设置单元类型定义单元类型1为10节点的SOLID187。选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。单击Add按钮。选择Structural Solid,并在相应的列表中选择10Node187,单击OK按钮，单击Close按钮，如图2-1所示。图2-12.3定义材料属性选择Main MenuPreprocessor Material PropsMaterial Model。在材料属性窗口中分别点击Structure、Linear、Elastic。在EX文本框中输入30e6，在PEXY文本框中输入0.37，如图2-2所示，单击OK按钮。图2-22.4轴承座三维实体建模2.4.1创建基座模型创建实体块。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimensions。弹出Create Block by Dimensions 对话框。输入X1=0,X2=6,Y1=0,Y2=1,Z1=0,Z2=3，如图2-3所示，单击OK按钮。图2-3图2-4平移并旋转工作平面。选择Utility MenuWork PlaneOffset WP by Increments命令，如图2-5所示。单击Apply按钮。在X，Y，Z，Offsets处输入0.75，0，0.75；在XY，YZ，ZX，Angles处输入0，90，0，如图2-6所示，单击OK按钮。图2-5图2-6图2-7创建圆柱体。选择菜单Main MenuPreprocessorModelingCreate VolumesCylinderSolid Cylinder。在Radius文本框中输入0.375，在Depth文本框中输入1，如图2-8所示，单击OK按钮。图2-8图2-9复制生成另外三个圆柱体。选择Main MenuPreprocessorModelingCopyVolume 。弹出Copy Volumes 对话框拾取圆柱体，如图2-10所示。单击Apply按钮，在DZ处输入1.5，如图2-11所示，单击OK键。图2-10图2-11图2-12选择Main MenuPreprocessorModelingCopyVolume 。弹出Copy Volumes 对话框拾取圆柱体，如图2-11所示。单击Apply按钮，在DX处输入4.5，如图2-14所示，单击OK键。图2-13图2-14图2-15选择Main MenuPreprocessorModelingCopyVolume 。弹出Copy Volumes 对话框拾取圆柱体，如图2-16所示。单击Apply按钮，在DX处输入4.5，如图2-18所示，单击OK键。图2-16图2-17图2-18从长方体中减去圆柱体。选择Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolume。首先拾取长方体，如图2-19所示，单击Apply按钮，然后拾取四个圆柱体，如图2-20所示，单击OK按钮。图2-19图2-20图2-212.4.2创建轴瓦支架的下部使工作平面与总体笛卡儿坐标系一致。选择Utility MenuWork PlaneAlign WP withGlobal Cartesian。图2-22创建实体块。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy 2corners & Z。弹出Block by 2 Corners & Z对话框。输入WP X=1.5,WP Y=1,Width=3,Height=1.75,Depth=0.75，如图2-23所示，单击OK按钮。图2-23图2-242.4.3创建轴瓦支架的上部将工作平面平移到轴瓦支架的前表面。选择Utility MenuWork PlaneOffset WP toKey points。在刚创建的实体块在左上角拾取关键点，如图2-26所示，单击OK按钮，完成工作平面的平移。图2-25图2-26图2-27创建实体块。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumeCylinderPartial Cylinder。弹出Partial Cylinder 对话框。输入WP X=1.5,WP Y=0,Rad-1=0,Theta-1=0,Rad-2=1.5,Theta-2=180,Depth=-0.75，如图2-28所示，点击OK按钮。图2-28图2-29在轴承孔的位置创建大圆柱体。选择Main MenuModelingCreateVolumeCylinderSolid Cylinder。弹出Solid Cylinder对话框。输入WP X=1.5,WP Y=0,Radiu=1,Depth=-0.1875，如图2-29所示，点击OK按钮。图2-29图2-30在轴承孔的位置创建小圆柱体。选择Main MenuModelingCreateVolumeCylinderSolid Cylinder。弹出Solid Cylinder对话框。输入WP X=1.5,WP Y=0,Radius=0.85,Depth=-0.75,如图2-31所示，单击OK按钮。图2-31图2-32从轴瓦支架减去大圆柱体。选择Main MenuPreprocessorModelingOperateSubtractVolumes。拾取构成轴瓦支架的两个体，如图2-33所示，单击Apply按钮，拾取大圆柱作为减去的对象，如图2-34所示，单击OK按钮。图2-33图2-34图2-35从轴瓦支架减去小圆柱体。选择Main MenuPreprocessorModelingOperateSubtractVolumes。拾取构成轴瓦支架的两个体，如图2-36所示，单击Apply，拾取小圆柱体，如图2-37所示，单击OK按钮，形成轴孔。图2-36图2-37图2-382.4.4创建使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致。选择Utility MenuWork PlaneAlign WP withGlobal Cartesian命令。图2-39图2-40创建关键点57。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateKey pointsIn Active CS。输入1.5，1，3，如图2-41所示，点击OK按钮，创建关键点57。图2-41图2-42创建关键点75。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateKey pointsIn Active CS。输入4.5，1， 3，如图2-43所示，点击OK按钮，创建关键点75。图2-43图2-44创建三角形面。选择Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitrary Through KPs 。拾取轴承孔座与整个基座的交点，再拾取轴承孔上下两个体的交点，最后拾取上步所建立的关键点，如图2-45所示，单击OK按钮，完成了三角形侧面的建模，如图2-46所示。图2-45图2-46图2-47图2-48沿面的法向拖拉三角形面形成一个三棱柱。选择Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Normal。拾取三角面，如图2-49所示，单击Apply按钮，输入DIST=0.15,如图2-50所示，点击OK按钮。单击OK按钮，形成三棱柱如图2-51所示。再次选择Main MenuPreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAlong Normal。拾取另一三角面，如图2-52所示，单击Apply按钮，输入DIST=-0.15,如图2-53所示，点击OK按钮。单击OK按钮，形成三棱柱如图2-54所示。图2-49图2-50图2-51图2-52图2-53图2-542.4.5构建轴承座整体最后要把所有的体都连接在一起。选择Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansGlueVolumes。弹出如图2-55所示的对话框。单击Pick All 按钮，选择所有的体，把所有的体粘接到一起。图2-552.5创建网格选择Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool命令，将智能网格划分器（Smart Sizing）设定为on，将滑动条设置为4，设置Mesh Tool的各项为Volumes，Tet，Free，如图2-56所示，单击MESH按钮，再单击Pick All,如图2-57所示，完成网格划分。图2-56图2-57图2-58第三章 有限元模型的前处理和求解3.1定义分析类型从主菜单中选择Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis。弹出New Analysis对话框，选择Static(静态)单选按钮，如图3-1所示，单击按钮。图3-13.2约束个安装孔从主菜单中选择Main MenuSolutionDefine LoadsApply StructureDisplacementSymmetry B.C.On Areas。弹出Apply SYMM on Areas 对话框，拾取个安装孔，如图3-2所示，单击按钮。图3-2图3-33.3约束基座底部向位移选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructureDisplacementOn Lines。弹出对话框，拾取基座底面的所有边界线，如图3-4所示。单击按钮，弹出设置对话框，如图3-5所示，选择选项，单击按钮。图3-4图3-5图3-63.4在轴承孔圆周上施加推力载荷选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructurePressureOn Areas 。弹出对话框，拾取沉孔面，如图3-7所示，单击按钮。单击按钮，弹出设置对话框，在文本框中输入1200，如图3-8所示，单击按钮。图3-7图3-8图3-83.5在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷选择Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructurePressureOn Areas。将弹出施加压力载荷拾取对话框，拾取轴承孔的下半部分圆周面，如图3-9所示。 单击按钮，在文本框中输入5000，如图3-10所示，单击按钮。图3-9图3-10图3-113.6求解选择 Main MenuSolutionSolveCurrent LS。弹出求解对话框，如图3-12所示单击按钮，求解结束后单击Close按钮。图3-12图3-13第四章 有限元模型的后处理和结果分析4.1绘制轴承座的变形形状从主菜单中Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape。弹出如图所示的对话框，选择Def + undeformed，如图4-1所示，单击按钮。图4-1图4-2图4-34.2绘制轴承座位移分布等值线图选择Main MenuGeneral PostprocPlotResultsContour PlotNodal Solu。弹出对话框，选择Nodal SolutionDisplaccement vector sum，如图4-4所示，单击按钮。图4-4图4-5图4-64.3查看轴承座各节点位移选择General PostprocList ResultsNodal Solution。在弹出的对话框中，依次选择DOF SolutionDisplacement vector sum，如图4-7所示，单击OK，求解到详细各节点的位移。图4-7图4-84.4绘制轴承座应力分布等值线图选择General Pos