有限元毕业设计(论文)

本科毕业设计（论文）轴承座有限元分析
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二〇一三年六月
目录
序言 (2)
第1章轴承座受力分析 (4)
1.1课题分析 (4)
1. 2结果分析 (5)
第2章操作步骤 (6)
2.1 操作流程 (6)
参考文献 (13)
致谢 (13)
序言
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。

有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。

有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。

经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性.目前有许多处理的方法，他们各有利弊. 当区域改变时(就像一个边界可变的固体)，当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。

例如, 在正面碰撞仿真时，有可能在"重要"区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。

CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM,即
Finite Difference Element Method)等。

每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

第1章轴承座受力分析
1.1课题任务分析
图1为某轴承座的实体结构，图中尺寸单位为m，轴承座的受力及约束情况如图2所示，要求用ANSYS软件完成该轴承座的实体建模及静力学仿真分析，并撰写分析报告。

已知材料属性为弹性模量为3 107Pa，泊松比为0.3。

1.2结果分析
图1.2输出的是轴承座施和加载荷后托架变形图的对比，虚线部分即为托架的原型，从图1.2可看出，由于载荷的作用，轴承座变形不明显，变形最严重的就是红色部分，这是因为其离托板就远，没有任何物体与其分担载荷，故其较容易变形甚至折断。

这是我们在应用托架的时候应当注意的。

图 1.2
第2章操作步骤
2.1操作流程
1.指定分析标题
1．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Jobname，将弹出Change Jobname (修改文
件名)对话框。

2．在Enter new jobname (输入新文件名)文本框中输入文字“123”。

单击对话框中的“OK”按钮，完成文件名的修改。

3．选取菜单路径Utility Menu | File | Change Title，将弹出Change Title (修改标题)对话框。

4．在Enter new title (输入新标题)文本框中输入文字“123”，为本分析实例的标题名。

单击
对话框中的“OK”按钮，完成对标题名的指定。

2.定义单元类型
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，将弹出Element Types (单元类型定义)对话框。

单击对话框中的按钮，将弹出Library of
Element Types (单元类型库)对话框。

2．在左边的滚动框中单击“Structural Solid”，选择结构体单元类型。

在右边的滚动
框中单击“Tet 10node 92”,在对话框中单击“OK”按钮，完成对这种单元的定义。

3.指定材料特性
1．选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，将弹
出Define Material Model Behavior (材料模型定义)对话框。

2．依次双击Structural，Linear ，Elastic 和Isotropic，将弹出1 号材料的弹性模量
EX 和泊松比PRXY 的定义对话框。

3．在EX文本框中输入3E7，PRXY文本框中输入0.3。

定义材料的弹性
模量为3e7N/m2，泊松比为0.3。

单击“OK”按钮，关闭对话框。

4．在Define Material Model Behavior (材料模型定义)对话框中，选取路径Material | Exit，
完成对材料模型的定义。

5．单击ANSYS12.0 的ANSYS Toolbar (工具条)上的“SAVE”按钮，保存数据库文件
4.建立轴承座的有限元模型
1．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Volume|Block|By Dimensions，
将弹出Create Block by Dimensions(根据坐标创建体)对话框。

在对话框输入：
X1,X2 X-coordinates：0，3
Y1,Y2 Y-coordinates：0，1
Z1, Z2 Z-coordinates：0，3
然后单击“APPL Y”按钮，再次在对话框输入：
X1,X2 X-coordinates：0，1.5
Y1,Y2 Y-coordinates：0，0.75
Z1, Z2 Z-coordinates：0，-1.75
2．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Keypoints|In Active CS将弹出Create the keypoints in Active Coordinate System(创建点)对话框。

在对话框中输入：
NPT：100
XYZ： 1.5,3,0
3．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create |Area|Arbitrary|Through KPs 将弹出Create Area Through KPs对话框。

拾取关键点11、15、50，创建面13
4．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create |Operate|Extrude|Areas|Along Normal 将弹出对话框Extrude Areas by Normal然后选择面13，在DIST中输入0.15然后单击“OK”即可生成面径板
6．选取路径WorkPlane | Offset WP to | keypoints 选择关键点，即将坐
标原点移到图示位置。

7．选取路径WorkPlane | Offset WP by increment | 将弹出对话框
OffsetWP，在XY，YZ，ZX angle 一栏中输入0,90,0即将坐标轴绕X
轴逆时针旋转了90度，得到右图所示情况。

8．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Volumes|Cylinder|Partial Cylinder弹出Partial Cylinder对话框，在相应的对话栏中输入：
Rad-1： 1.5
Theta-1：90
Depth：-0.75
点击OK
9．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Volumes|Cylinder|Solid Cylinder弹出Solid Cylinder对话框，在相应的对话框中输入：
Radius： 1
Depth：-0.1875
点击OK
10．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Operate|Booleans|Subtract|Volumes 将弹出Subtract Volumes 对话框，点击下左图所示部分，单击OK，然后单击下右图所示部分，单击OK，则布尔减操作完成。

11．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Volumes|Cylinder|Solid Cylinder弹出Solid Cylinder对话框，在相应的对话框中输入：
Radius：0.85
Depth：-1
点击OK
12．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Operate|Booleans|Subtract|Volumes 将弹出Subtract Volumes 对话框，点击下左图所示部分，单击OK，然后单击下右图所示部分，单击OK，则布尔减操作完成
13．选取路径WorkPlane | Offset WP to | keypoints 选择关键点，即将坐标原点移到下图示位置。

然后选取路径WorkPlane | Offset WP by increment | 将弹出对话框OffsetWP，在XY，YZ，ZX angle 一栏中输入0,90,0即将坐标轴绕X轴逆时针旋转了90度，得到下图所示情况。

14．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Volumes|Cylinder|Solid Cylinder弹出Solid Cylinder对话框，在相应的对话框中输入：
WP X：-0.75
WP Y：0.75
Radius：0.375
Depth： 2
单击Apply，在相应对话框中输入：
WP X：-0.75
WP Y： 2.25
Radius：0.375
Depth： 2
单击OK，生成右图所示的样子。

15．参照步骤10进行布尔减，在轴承底座上完成打孔操作。

16．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create|Operate|Booleans|Add|Volumes将弹出Add Volumes 对话框，单击pick all。

17．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling |Reflect|Volumes，弹出Reflect Volumes对话框，单击pick all，选择Y-Zplane，单击OK。

完成建模
5.网格划分
1．选取路径Main Menu | Preprocessor | Modeling|Meshing|MeshTool将弹出MeshTool对话框，单击Size Control 中的Global旁的Set按钮，弹出另一对话框，在element eage length中输入0.2，单击OK。

点击下面的Mesh按钮，进行网格划分。

6.施加约束，载荷并求解
1.选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Loads | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On Areas，将会弹出拾取对话框,选择轴承座底面，单击对话框中的“OK”按钮，在新弹出的对话框中单击UY选项，对轴承底座进行UY方向约束。

2.选取菜单路径Main Menu | Preprocessor | Loads | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | Symmetry B.C弹出Apply SYMM on Areas对话框,选择轴承底座的四个内孔，单击对话框中的“OK”按钮。

3．选取菜单路径Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural |Pressure |On Areas将会弹出拾取对话框,选择面,单击“OK”按钮，弹出另一对话框，在Load PRES value项输入“1006”单击“Apply”；选择面,单击“OK”按钮，弹出另一对话框，在Load PRES value
项输入“5106”单击“OK”，完成施加载荷操作。

4．选取菜单路径Main Menu | Solution |Solve|Current LS弹出Solve Current Load Step对话框，
单击“OK”开始求解，求解结束后，关闭相应对话框。

5．选取菜单路径Main Menu |General Postproc|Plot Results|Contour Plot|Nodal Solu将弹出Contour Nodal Solution Data对话框，选择Nodal Solution|DOF Solution|Displacement vector sum 将得到如位移图：
6．选取菜单路径Main Menu |General Postproc|Plot Results|Contour Plot|Nodal Solu将弹出Contour Nodal Solution Data对话框，选择Nodal Solution|Stress|von Mises Stress将得到如应力图：
参考文献
[1]朱伯芳，有限单元法原理和应用（第二版）。

北京：中国水利水电出版社，1998
[2]王焕定，吴德伦，有限单元法及计算程序。

北京：中国建筑工业出版社，1997
[3]龚曙光，ANSYS工程应用实例解析。

北京：机械工业出版社，2003
[4]王金龙，ANSYS12.0有限元分析与范例解析。

北京：机械工业出版社，2010
[5]张朝辉，ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析。

北京：机械工业出版社，2010
致谢
首先要感谢带我有限元上课的老师，我学的很多有限元方面的知识都是他无私传授的。

在设计中遇到的问题，都能得到老师的悉心指导和帮助。

通过这次设计我不但更深地掌握了软件应用方面的知识，更为重要地是也学到了做人做事应该所必要的素质，那就是老师那种治学严谨、平易近人、无私奉献的精神。

其次要感谢我的同学们，感谢他们在设计的过程中给我的帮助。

没有他们的帮助，我也不可能很好地完成本次设计任务。

同时感谢从我进入大学以来，学校所有在学习和生活方面对我关心的老师。