基于ANSYS的轴承座的有限元分析

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
1.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。

2.建立有限元模型
该轴承座采用普通碳钢Q235，弹性模量E=2.01E11，泊松比u=0.3。

沉孔上受到径向推力为1000psi（6.89MPa)，安装安装轴瓦的下表面受到向下作用力5000psi（34.45MPa)。

Q235的屈服极限为34808psi（240MPa)。

2.1在ANSYS14.0中建立三维实体模型
在ANSYS中建立实体模型时，主要有自底向上和自顶向下两种方法。

根据该轴承的结构特点，采用自顶向下的建模方法，并且综合运用工作平面的平移、旋转，布尔运算，镜像等方法生成轴承座的实体模型。

模型的创建过程大致分为以下三步。

第一步进行基座的创建，如图1所示。

图1 轴承座基座
第二步进行支撑部分的创建，如图2所示。

图2 轴承座支撑部分
第三步进行肋板的创建，并且通过镜像完成轴承座三维实体的创建，见图3。

图3 轴承座三维模型
2.2网格划分
2.2.1设置单元类型
在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同的特性单元，所以选择合适的单元对于有限元分析非常重要。

在此我们选择Solid187单元，它是三维10节点四面体结构实体单元，每个四面体边的中点也是节点，其中每个节点具有3个自由度，具有空间的任意方向。

过程如图4所示。

图4 单元类型的设置
2.2.2设置材料参数
假设为同性线弹性材料，弹性模量为2.01e11，泊松比为0.3，设置如图5所示。

图5 材料参数设置
2.2.3网格划分控制
网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间越长。

本文采用ANSYS提供的Smart Size工具自由划分网格，其中划分水平值选择4，一共划分的单元数目为8349，节点数目为14130。

网格划分过程如图6所示，网格划分结果如图7所示。

图6 网格划分控制
图7 网格划分结果
2.3载荷约束的施加
此轴承座中4个安装孔径向对称约束，底部Y向约束；沉孔上受到径向推力为1000psi，安装安装轴瓦的下表面受到向下作用力5000psi。

由于在实际作业中，轴承座所承受的载荷远大于其自重，所以不考虑其对应力应变的影响。

首先对四个安装孔进行径向对称约束，如图8所示。

图8 安装孔的径向对称约束
第二步对基座底部施加位移约束，（UY=0）如图9所示。

图9 基座底部位移约束（UY=0）
第三步在轴承孔圆周上施加径向推力载荷，值为1000psi，在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷，此载荷是由于受重载的轴承受到支撑作用而产生的，施加好约束的轴承座模型如图10所示。

图10 施加好约束的轴承座模型
3.计算结果和分析
进入ANSYS求解模块（/SOL），选择默认的波前法求解器进行轴承座的静态线性分析。

结构分析完成后可以进入通用后处理器（/POST1）或时间历程后处理器（/POST26）浏览分析结果。

在静态结构分析中，可以显示位移和应力分布情况。

3.1轴承座的变形情况
该变形图描绘出变形后的结构和未变形的结构边界，如图11所示。

图12显示出节点的位移矢量分布情况。

可以分析得出变形轴承座由轴承孔上部到基座，变形程度逐渐减小，上部变形程度最大。

图11 轴承座变形图
图12 轴承座的位移矢量分布
3.2轴承座的强度分析
如图13显示出轴承座的应力分布情况，该应力为节点的Von Mises等效应力。

Von Mises是一种屈服准则,屈服准则的值我们通常叫等效应力。

Ansys后处理中"Von Mises Stress"我们习惯称Mises等效应力，它遵循材料力学第四强度理论(形状改变比能理论)。

图13 轴承座的应力分布
从图13中可以分析得到轴承座的最大的等效应力出现在肋板上端与轴承座相接触的区域和轴瓦孔下表面区域，即图中亮区，其中的最大等效应力值为11547.2psi，约为80Mpa，远小于材料的屈服极限，所以该轴承座符合强度设计要求。

4.总结
应用ANSYS 软件选择合理的单元类型和恰当网格划分方法，对轴承座进行了强度和变形分析，找到了结构最容易破坏的位置，为后续的优化设计提供了充分的理论依据。

且分析
结果表明，轴承座强度符合设计要求。

参考文献
附录
ANSYS .log命令流文件。