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基于ANSYS的軸承座強度分析

2023.04.20 河南

ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設(shè)計要求。一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計時間。

到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的5.7版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。

結(jié)構(gòu)強度分析是ANSYS最早的功能部分，也是最具有特色的功能之一，所以本文采用ANSYS的結(jié)構(gòu)分析部分對軸承座進行強度進行校核分析，最終計算結(jié)果表明軸承座滿足強度要求。

01

幾何建模

采用ANSYS幾何建模功能，參考如下所示幾何尺寸進行幾何建模。

圖1 軸承座幾何尺寸

根據(jù)幾何建模規(guī)則，首先建立軸承座初始模型，如圖所示，首先在ANSYS中建立軸承底座的長方體部分，同時在軸承地板上建立加強筋和軸承孔凸臺。

圖2 初始幾何模型

然后在上述模型的基礎(chǔ)上進行孔和沉孔的建模，通過布爾運算中的Divide功能進行螺栓孔切割，和沉孔的切割，最終如下所示。

圖3 添加螺栓孔和沉孔后幾何模型

在進行軸承座下法蘭的模型建立，可以通過軸承座下底的面進行拉伸得到。

圖3 下法蘭幾何體

最后進行軸和螺栓的建模，其中螺栓不需詳細分析螺栓的應(yīng)力，因此螺栓并不是分析的主要對象，為簡化分析過程和計算的資源，對螺栓采用簡化建模，即螺栓兩端采用兩圓環(huán)體，中間用圓柱體連接，且圓柱體不露出兩端的圓環(huán)體。對于中間的圓柱體，其直徑等于10 mm 的螺栓，其中徑 9.026 mm ，計算直徑為7.077mm。則計算得到中間圓柱體直徑 8.0515mm，建模時取 8mm。圓環(huán)體的外徑取六角頭螺栓的內(nèi)切圓直徑16mm，高度6.4mm。最終裝配幾何模型如圖4所示。

圖4 最終裝配模型

02

有限元分析

首先設(shè)置單元類型，選用單元類型為solid185，如下所示

圖5 單元類型設(shè)置

因為結(jié)構(gòu)尺寸圖中均為mm單位，建模時候按照mm建模。軸承座材料為鋼材，其彈性模量為2.1e5MPa，泊松比為0.3，材料參數(shù)設(shè)置如圖所示。

圖6 材料設(shè)置

為保證進行六面體網(wǎng)格劃分，分別對軸承座進行切割，然后采用glue命令，使切割后的部件保證拓撲關(guān)系，最終有限元網(wǎng)格模型如下圖所示。節(jié)點總數(shù)為48264，單元總數(shù)為60213

圖7 有限元網(wǎng)格模型

墊片和軸承座、螺栓與軸承座以及底板之間的接觸均設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，如圖8所示。其中接觸算法采用Augmented Langrange Method，其余設(shè)置默認即可。軸與軸承座內(nèi)孔之間采用綁定接觸來模擬力的傳遞，接觸算法也采用Augmented Langrange Method，其余默認設(shè)置。

圖8 接觸設(shè)置示意圖

裝配模型載荷為軸的兩端載荷，和螺栓的預(yù)緊力，一半模型中在軸兩端作用垂直向下的載荷P1=3410N，軸向載荷

=1364N，各螺栓預(yù)緊力

=6820N。軸端部共有52個節(jié)點，所以在軸兩端分別加載Fz=3410/52N=65.57N ，F(xiàn)y=1364/52=26.23N，通過Solution<Defined Loads<Apply<Structural<Force/Moment中對節(jié)點進行加載。加載完成如圖9所示。

圖9 軸兩端加載示意

施加螺栓預(yù)緊力，首先需要建立預(yù)緊單元，如下所示建立預(yù)緊單元

圖10 螺栓預(yù)緊網(wǎng)格劃分

按照圖11所示，進行預(yù)緊力加載，第一個載荷步加載預(yù)緊力6820N，第二個載荷步Lock預(yù)緊力，進行外載荷加載分析。

圖11 螺栓預(yù)緊力加載

最后對結(jié)構(gòu)進行約束設(shè)置，其中因為為對稱結(jié)構(gòu)，所以建立一半模型，在對稱面上加載對稱約束，同時約束墊板底部，如圖12所示。

圖12 約束設(shè)置

03

結(jié)果后處理

裝配圖的位移云圖如圖13所示，其中最大位移為0.046787mm，發(fā)生在軸的端部，與實際加載情況相吻合，。整體結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為214.02MPa，其中最大等效應(yīng)力發(fā)生在連接螺栓上，因為螺栓上加載預(yù)緊力，所以其應(yīng)力相對較大，而螺栓不是本文的研究對象，所以單獨截圖軸承座部件的應(yīng)力云圖如圖15所示。軸承座的最大等效應(yīng)力為78.1961MPa，發(fā)生在螺栓孔的邊緣，為預(yù)緊力造成，與實際情況吻合，而軸承座的屈服應(yīng)力為250MPa。結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為3.2，所以認為結(jié)構(gòu)滿足強度要求。軸承座的最大變形為0.025624mm，發(fā)生在于傳動軸配合的位置。如圖16所示。

圖13 裝配體位移云圖

圖14 裝配體應(yīng)力云圖

圖15 軸承座應(yīng)力云圖

圖16 軸承座位移云圖

04

結(jié)論

經(jīng)過ANSYS分析可知，軸承座最大等效應(yīng)力為78.1961MPa，最大變形為0.025624mm，滿足強度和剛度要求。

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