轴承支架的静力分析

1、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

2、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Tet 10Node92。Tet 10Node92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Tet 10Node92，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，

3、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）Main Menu：Preprocessor->Modeling->Create>Volumes->Block->By Dimensions输入x1=-100,x2=100,y1=-198,y2=198,z1=0,z2=30；（2）Main Menu：Preprocessor->Modeling-

4、>Create->Volumes->Block>By Dimensions输入x1=-100,x2=100,y1=-125,y2=125,z1=0,z2=15；（3）Main Menu：Preprocessor->Modeling->Operate>Booleans->Subtract->Volume图3 两个长方体布尔运算(4) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>Partial Cylinder,弹出如下对话框，填入如下数据：图

5、4 输入柱坐标的参数(5) Main Menu：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) Main Menu：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）Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create->Keypiont->In Active CS,弹出的对话框中NP

6、T Keypiont number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）Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Arbitrary>Through KPS（一定要注意连线的顺序性:72-71-73-74-78

7、-77-75-76） 图6 创关键点生成梯形体创建圆柱体，并显示组合体首先应偏移工作平面至(60,0,280)，（10）Utility Menu: Work Plane->Change Active CS to->Global Cylindrical (将当前激活坐标转化为柱坐标系)；(11) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder>Partial Cylinder；创建圆柱体WP X输入0，WP Y输入0，Radius-1输入75，Theta-1输入0，Radius-2输入0

8、，Theta-2输入360，Depth输入120，点击Apply.图7 创建圆柱体 形成圆柱的轴孔(12) Main Menu：Preprocessor>Modeling->Create>Volumes->Cylinder->Solid Cylinder；创建圆柱体WP X输入0，WP Y输入0，Radius-1输入40，Depth输入120，继续创建第2个圆柱体WP X输入0，WP Y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

9、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Pick All命令（15）选择Booleans->Add->Volumes命令，再点击Pick All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Tet 10Node 92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Pick All，将所有体都进行网格划分。（16）Main Menu：Preprocesso

10、r>Meshing->Size Cntrls->ManualSize>Global>Size，在SIZE Element edge length的文本框中输入15，（17）Main Menu：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

11、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Main Menu: Solution->Define Load->Apply->Structural->Displacement ->Symmetry B.C. ->On Areas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Main Menu: Solution->Define Load->Apply->Structural>Displacement >on Line

12、s +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）Main Menu: Solution>Define Load>Apply>Structural>Pressure>On Areas拾取轴承孔上所有面OK输入压力值1500Apply（4）在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷依次选择Main Menu: Solution>Define Load>Apply>Structural>Pressure>On Areas拾取宽度为17的所有柱面OK输入压力值4000（只能加左右

13、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：Main Menu: Solution->Slove->Current LS,弹出对话框，点OK.4.1 查看变形Main Menu: General Postproc->Plot Result->Contour Plot->Nodal Solu->DOF Solution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+undef edge（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

14、）Z轴方向的位移 （d）Displacement vector sum 图11 变形图4.2 查看应力Main Menu: General Postproc->Plot Result->Contour Plot->Nodal Solu->Stress查看von Mises 等效应力分布。选择Def shape only（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）von Mises stress (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）von Mises stress 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；