算例丨基于ANSYS的轴承座强度分析
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。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。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。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。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。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。首先设置单元类型,选用单元类型为solid185,如下所示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。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。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。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。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。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。经过ANSYS分析可知,轴承座最大等效应力为78.1961MPa,最大变形为0.025624mm,满足强度和刚度要求。