轴承座有限元法分析报告与建模

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：机械设计制造与其自动化指导教师：X建树、王洪新、林华、
周小超、X昌春
学生：葛睿
学号：2012011309
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 (2)
有限元法与其根本思想 (2)
1.2 问题描述 (3)
第二章轴承座有限元分析的准备工作 (3)
建模过程与思路 (3)
设置单元类型 (4)
定义材料属性 (4)
轴承座三维实体建模 (5)
创建基座模型 (5)
创建轴瓦支架的下部 (15)
创建轴瓦支架的上部 (17)
创建 (24)
构建轴承座整体 (32)
创建网格 (33)
第三章有限元模型的前处理和求解 (35)
定义分析类型 (35)
约束４个安装孔 (35)
约束基座底部Ｙ向位移 (36)
在轴承孔圆周上施加推力载荷 (38)
在轴承孔的下半局部施加径向压力载荷 (39)
求解 (41)
第四章有限元模型的后处理和结果分析 (42)
绘制轴承座的变形形状 (42)
绘制轴承座位移分布等值线图 (44)
查看轴承座各节点位移 (45)
绘制轴承座应力分布等值线图 (46)
查看轴承座节点最大应力 (47)
总结 (49)
参考文献 (49)
第一章引言
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展分析，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。

问题描述
如下列图，为一个轴承座。

弹性模量为30*1067.轴承孔圆周上受到1200ＭＰa恒定的推力载荷，在轴承孔的下半局部受到4500ＭＰa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建模过程与思路
分析制定方案
材料性质：弹性模量E=3 106Pa，泊松比。

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和轴承孔柱面下局部承受向下压力Ps。

定义单元类型1为10节点的SOLID187。

选择Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/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2-1
定义材料属性
选择Main Menu>Preprocessor> Material Props>Material 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2-2
2.4轴承座三维实体建模
创建实体块。

选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By 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 Menu>Work Plane>Offset 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 Menu>Preprocessor>Modeling>Create>
Volumes>Cylinder>Solid 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MainMenu>Preprocessor>Modeling>Copy>Volume 。

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MainMenu>Preprocessor>Modeling>Copy>Volume 。

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MainMenu>Preprocessor>Modeling>Copy>Volume 。

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
MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Volume。

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2-21
2.4.2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 Menu>Work Plane>Align WP with>Global Cartesian。

图2-22
创建实体块。

选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>By
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2-24
将工作平面平移到轴瓦支架的前外表。

选择Utility Menu>Work Plane>Offset WP to>Key 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
Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volume>Cylinder>Partial 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 Menu>Modeling>Create>Volume>Cylinder>Solid 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 Menu>Modeling>Create>Volume>Cylinder>Solid 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 Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Subtract>Volumes。

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 Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Subtract>Volumes。

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2-38
使工作平面与总体笛卡尔坐标系一致。

选择Utility Menu>Work Plane>Align WP with>GlobalCartesian命令。

图2-39
图2-40
创建关键点57。

选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Key points>In 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 Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Key points>In 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
Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary >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 Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>Along 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
Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>Along 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2-54
2
最后要把所有的体都连接在一起。

选择Main
Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Volumes。

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2-55
选择Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh 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PickAll,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
定义分析类型
从主菜单中选择Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis。

弹出New Analysis对话框，选择Static(静态)单项选择按钮，如图3-1所示，单击ＯＫ按钮。

图3-1
约束４个安装孔
从主菜单中选择Main Menu>Solution>Define Loads>Apply
Structure>Displacement>Symmetry B.C.>On Areas。

弹出Apply SYMM on Areas 对话框，拾取４个安装孔，如图3-2所示，单击ＯＫ按钮。

图3-2
图3-3
选择Main Menu>Solution>Define
Loads>Apply>Structure>Displacement>On Lines。

弹出对话框，拾取基座底面的所有边界限，如图3-4所示。

单击ＯＫ按钮，弹出设置对话框，如图3-5所示，选择ＵＹ选项，单击ＯＫ
按钮。

图3-4
图3-5
图3-6
在轴承孔圆周上施加推力载荷
选择Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structure>Pressure>On Areas 。

弹出对话框，拾取沉孔面，如图3-7所示，单击ＯＫ按钮。

单击ＯＫ按钮，弹出设置对话框，在ＶＡＬＵＥ文本框中输入1200，如图3-8所示，单击ＯＫ按钮。

图3-7
图3-8
图3-8
选择Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structure>Pressure>On Areas。

将弹出施加压力载荷拾取对话框，拾取轴承孔的下半局部圆周面，如图3-9
所示。

单击ＯＫ按钮，在ＶＡＬＵＥ文本框中输入5000，如图3-10所示，单击ＯＫ按钮。

图3-9
图3-10
图3-11
选择 Main Menu>Solution>Solve>Current LS。

弹出求解对话框，如图3-12所示单击ＯＫ按钮，求解完毕后单击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
从主菜单中Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape。

弹出如下列图的对话框，选择Def + undeformed，如图4-1所示，单击ＯＫ按钮。

图4-1 图4-2
图4-3
位移分布等值线图
选择Main Menu>General Postproc>PlotResults>Contour Plot>Nodal Solu。

弹出对话框，选择Nodal Solution>Displaccement vector sum，如图4-4所示，单击ＯＫ按钮。

图4-4
图4-5
图4-6
查看轴承座各节点位移
选择General Postproc>List Results>Nodal Solution。

在弹出的对话框中，依次选择DOF Solution>Displacement 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4-8
4.4绘制轴承座应力分布等值线图
选择General Postproc>Plot Result>Contour Plot>Nodal Solu。

在弹出的对话框中再依次选择Stress>von Mises stress，如图4-9所示，最后单击OK。

图4-9
图4-10
查看轴承座节点最大应力
选择General Postproc>List Results>Nodal Solution。

在弹出的对话框中选STRESS>von Mises stress，如图4-11所示，单击OK 按钮。