基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究说明书
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基于ANSYS WORKBENCH轴承的模态分析摘 要：本文基于有限元方法，利用ANSYS/WORKBENCH软件对轴承结构进行静力学与模态分析。得到了轴承主体钢结构的应力、变形以及前6阶固有频率和振型，可为进一步的结构优化和轻量化设计提供理论依据，具有一定的实际工程意义。关键词：轴承；有限元；静力分析；模态分析；ANSYS/WORKBENCH中图分类号：TH228 文献标识码：AStatic analysis and modal analysis of heavy-duty slat feeder based on ANSYS/WORKBENCH(Faculty of Mechanical Engineering, DalianUniversity of Technology, Dalian 116024, China)Abstract Based on the finite element theory, through static analysis and the modal analysis on the structure of heavy-duty slat feeder by the ANSYS/WORKBENCH software, the stress, deformation, the first sixth natural frequencies and vibration modes are calculated. They provide an essential theoretical basis for optimization design and light weight. The paper has some reference values on engineering.Keyword: heavy-duty slat feeder; finite element; static analysis; modal analysis; ANSYS/ WORKBENCH0 引言作为典型机械元器件的轴承，主要承担转动工作，主体钢结构作为轴承的承载和支撑部件，其强度、弹性变形和动态特性直接影响设备的可靠性。钢结构性能研究是一项非常繁琐的过程,其结构复杂、原件集合尺寸差异大，单纯的经验设计难以保证结构的可靠性，潜伏问题难以发现，因而传统的设计已经不能完全满足设计的需求。随着计算机软件的不断开发，现代重要的结构设计大都采用弹性力学有限元法，使设计水平得到显著的提高1。本文以某企业自移式破碎站的轴承主体钢结构为研究对象，对其进行静力与模态分析，对验证轴承主体钢结构强度和刚度要求；推断未测或难测部位的应力和变形状态；找出结构的薄弱环节并改进具有重要的理论参考和实践意义。1有限元模型的建立利用proe软件进行建模，可以从原件库里面直接调用，也可以重新建模，建模无需建立装配模型，只需要在单体零件中直接建立轴承内外圈和球体，选择不合并实体，从而形成多实体的单体零件。轴承元件之间的间隙可以消除。 三维模型的建立三维模型的建立是数值模拟分析中重要、关键的环节。UG软件能够方便地建立复杂的三维模型，企业提供的初始的轴承三维模型主体钢结构是由不同厚度的钢板焊接而成，模型钢板之间存在较多的焊缝，导致模型存在不同大小的间隙，给后继有限元分析带来困难，而且模型结构复杂，且为三维实体，建立有限元模型的过程中，要在符合结构力学特性的前提下建立模型，有必要对结构做合理的简化。其主要简化说明如下：（1）.忽略零件中一些微小特征。螺栓孔、倒圆角等一些微小的结构对结果准确性的影响很小，所以建模时不考虑这些微小几何图元；（2）.所有焊接位置不允许出现裂缝、虚焊等工艺缺陷，认为在焊接位置材料是连续的，直接填充间隙；（3）.轴承模型附件品种繁多，形状复杂，且对机架的刚度和强度影响不大，在计算模型中只要考虑其自重即可，例如料斗、辊子、走台、链板等其它辅助设备。 材料属性 结构用钢均采用Q235碳素结构钢材，Q235的弹性模量E=2.1e11N/m2，密度7830 kg/m3，剪切模量为81000MPa，泊松比为0.3，模型材料为各向同性。表1 材料Q235许用应力一览表: MPa (N/mm2)Tab.1 List of Material Q235 Allowable stress: MPa (N/mm2)厚度t（mm）屈服极限sQ235许用应力I 类载荷安全系数 1.5类载荷安全系数 1.33类载荷安全系数 1.2aaaaaat162351579017710219611316t40225150871699818810840t1002151438316293179103 网格划分有限元网格数目过少，容易产生畸变，并影响计算精度；而数目过大，不仅对提高精度作用不大，反而大大增加了计算工作量2。因此网格划分前对模型进行了体切割与粘接布尔用算，再采用自由划分方式，以满足计算精度与控制计算量的要求。单元类型采用的是三维实体单元Solid 164。将模型的单元大小设置为100mm，划分网格后的有限元模型如图1所示：划分网格后生成：节点数：391020个单元数：56282个图1轴承主体钢结构网格模型Fig.1 Meshing model of the heavy-duty slat feeder structure 施加载荷与约束1.4.1约束施加轴承钢结构与下部衔接结构部分的六个连接面和两个支撑面采用固定约束（fixed support）。如图2所示：1.4.2载荷施加参考移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范（JB/T8849-2005）确定轴承载荷定义和工况组合计算方法。根据加载频率，轴承钢结构需要确定以下三种不同类别的载荷:主要载荷、附加载荷和特殊载荷。 在第一种工况下，按I类载荷工况分析，即按照轴承主要载荷进行加载，轴承实际承受的载荷主要有以下几个部分：钢结构自重、设备倾斜载荷（重力加速度沿平行和垂直工作面方向加载）、积垢载荷4.2t、轴承输送物料载荷42t。图2 轴承主体钢结构约束情况Fig.1 Constraintsof the heavy-duty slat feeder structure 模态分析模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)。它是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时也作为其它更详细的动力学分析的起点。进行模态分析时，由于模态分析属于动态分析中的固有特性分析，固有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成，它由结构本身(质量与刚度分布)决定，而与外部载荷无关3。所以在对模型进行模态分析时，只需施加约束即可，约束条件与静力学分析时一致。2. 有限元计算结果与分析本文分析了轴承应力与变形计算结果和模态分析结果。2.1 静力学分析结果 图3 轴承主体钢结构位移云图Fig.3 Deformation cloudof the heavy-duty slat feeder structure图4 轴承主体钢结构应力云图Fig.4 Stress cloudof the heavy-duty slat feeder structure图5 应力集中Fig.5 Stress concentration由图3可看出轴承主体钢结构的最大位移发生在端部，最大值为3.380mm，小于许用挠度f4=L/1000=15.180mm,满足刚度要求。由图4可看出主体钢结构的等效应力大多集中在181.15Pa-60MPa之间，处于材料Q235的安全工作范围内，满足强度要求。图5显示，最大应力发生在约束点处，等效应力值为109.18 MPa，这是由在该处的局部约束引起，符合圣维南原理。在有限元计算中，采用的约束为节点约束，而实际此处约束为局部分布约束，所以此处的应力集中可忽略。2.2 模态分析结果轴承主体钢结构的振动可以表示为各阶固有频率响应的线性组合，由振动理论可知，在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶模态，高阶模态对响应的影响很小，并且衰减很快，故只考虑低阶模态对钢结构的影响5。低阶振动对钢结构的动态特性起决定性作用，故在进行钢结构模态分析计算时取前6阶，主体钢结构模态分析的固有频率和振型见下表2所示：表2 模态分析结果Fig.2 Result of model analysis阶次固有频率/Hz振型描述大振幅部位及最大幅值19.673钢结构端尾水平摆动端尾，最大幅值0.253mm210.482钢结构断尾水平摆动端尾，最大幅值0.263mm314.125钢结构断尾垂直摆动端尾，最大幅值0.323mm415.226钢结构端尾垂直摆动端尾，最大幅值0.318mm516.196钢结构局部垂直摆动人字联结结构，最大幅值3.534mm623.346钢结构沿垂直方向发生扭曲两端，最大幅值为0.304mm前6阶振型如下图所示：图6 第1阶振型图 图7 第2阶振型图Fig. 6 The first vibration mode map Fig. 7 The second vibration mode map 图8 第3阶振型图 图9 第4阶振型图 Fig. 8 The third vibration mode map Fig. 9 The fourth vibration mode map 图10 第5阶振型图 图11 第6阶振型图Fig. 10 The fifth vibration mode map Fig. 11 The sixth vibration mode map3 结语（1）通过对轴承主体钢结构的有限元静力学计算结果看出，绝大部分结构的应力小于150 M Pa，能够满足钢材的强度要求，忽略约束处的应力集中，模型突变位置可以加工圆角减小应力集中。主体钢结构的最大挠度也在许用范围之内，同样满足刚度要求。（2）经过模态分析得出钢结构的前6阶的固有频率和振型，为进一步主体钢结构的响应分析提供了重要的动力学参数，同时也为改进和优化结构设计提供了理论参考。参考文献1.孙占刚，孙铁铠.基于有限元分析的轧机闭式机架结构优化设计J.
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