算例丨基于ANSYS的轴承座强度分析

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ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。

到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。

结构强度分析是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的结构分析部分对轴承座进行强度进行校核分析，最终计算结果表明轴承座满足强度要求。

几何建模

采用ANSYS几何建模功能，参考如下所示几何尺寸进行几何建模。

图1 轴承座几何尺寸

根据几何建模规则，首先建立轴承座初始模型，如图所示，首先在ANSYS中建立轴承底座的长方体部分，同时在轴承地板上建立加强筋和轴承孔凸台。

图2 初始几何模型

然后在上述模型的基础上进行孔和沉孔的建模，通过布尔运算中的Divide功能进行螺栓孔切割，和沉孔的切割，最终如下所示。

图3 添加螺栓孔和沉孔后几何模型

在进行轴承座下法兰的模型建立，可以通过轴承座下底的面进行拉伸得到。

图3 下法兰几何体

最后进行轴和螺栓的建模，其中螺栓不需详细分析螺栓的应力，因此螺栓并不是分析的主要对象，为简化分析过程和计算的资源，对螺栓采用简化建模，即螺栓两端采用两圆环体，中间用圆柱体连接，且圆柱体不露出两端的圆环体。对于中间的圆柱体，其直径等于10 mm 的螺栓，其中径 9.026 mm ，计算直径为7.077mm。则计算得到中间圆柱体直径 8.0515mm，建模时取 8mm。圆环体的外径取六角头螺栓的内切圆直径16mm，高度6.4mm。最终装配几何模型如图4所示。

图4 最终装配模型

有限元分析

首先设置单元类型，选用单元类型为solid185，如下所示

图5 单元类型设置

因为结构尺寸图中均为mm单位，建模时候按照mm建模。轴承座材料为钢材，其弹性模量为2.1e5MPa，泊松比为0.3，材料参数设置如图所示。

图6 材料设置

为保证进行六面体网格划分，分别对轴承座进行切割，然后采用glue命令，使切割后的部件保证拓扑关系，最终有限元网格模型如下图所示。节点总数为48264，单元总数为60213

图7 有限元网格模型

垫片和轴承座、螺栓与轴承座以及底板之间的接触均设置为摩擦接触，摩擦系数设置为0.1，如图8所示。其中接触算法采用Augmented Langrange Method，其余设置默认即可。轴与轴承座内孔之间采用绑定接触来模拟力的传递，接触算法也采用Augmented Langrange Method，其余默认设置。

图8 接触设置示意图

装配模型载荷为轴的两端载荷，和螺栓的预紧力，一半模型中在轴两端作用垂直向下的载荷P1=3410N，轴向载荷

=1364N，各螺栓预紧力

=6820N。轴端部共有52个节点，所以在轴两端分别加载Fz=3410/52N=65.57N ，Fy=1364/52=26.23N，通过Solution<Defined Loads<Apply<Structural<Force/Moment中对节点进行加载。加载完成如图9所示。

图9 轴两端加载示意

施加螺栓预紧力，首先需要建立预紧单元，如下所示建立预紧单元

图10 螺栓预紧网格划分

按照图11所示，进行预紧力加载，第一个载荷步加载预紧力6820N，第二个载荷步Lock预紧力，进行外载荷加载分析。

图11 螺栓预紧力加载

最后对结构进行约束设置，其中因为为对称结构，所以建立一半模型，在对称面上加载对称约束，同时约束垫板底部，如图12所示。

图12 约束设置

结果后处理

装配图的位移云图如图13所示，其中最大位移为0.046787mm，发生在轴的端部，与实际加载情况相吻合，。整体结构的最大等效应力为214.02MPa，其中最大等效应力发生在连接螺栓上，因为螺栓上加载预紧力，所以其应力相对较大，而螺栓不是本文的研究对象，所以单独截图轴承座部件的应力云图如图15所示。轴承座的最大等效应力为78.1961MPa，发生在螺栓孔的边缘，为预紧力造成，与实际情况吻合，而轴承座的屈服应力为250MPa。结构的安全系数为3.2，所以认为结构满足强度要求。轴承座的最大变形为0.025624mm，发生在于传动轴配合的位置。如图16所示。