Ansys有限元分析在轴承选用中的应用

轴承支架的ANSYS分析题目：试应用ANSYS有限元软件分析图1所示支座（铸造）内部的应力、应变和变形分布，并校核强度。

已知，底板上有四个直径为14mm的圆孔（距离端面均为30mm），其圆面受到全约束，已知材料的弹性模量E=210Gpa，泊松比μ=0.3，许用应力[σ]=160MPa，右端φ60的孔端面（A-B）受到水平向左的分布力作用，分布力的合力大小为15kN。

图1 零件尺寸图有限元分析操作过程：GUI:Utility Menu→File→Change Title，弹出新菜单，如下图所示，命名为file_dazuoyeGUI :MainMenu→Preprocessor→Modeling→Creat→Keypoints→In Active CS,打开创建关键点对话框。

在【Keypoint number】文本框中输入1，在【Location in active CS】文本框中分别输入0,0,0,单击apply按钮。

同理建立另外三个关键点，编号为2至4，分别为（140,0,0）、（140,140,0）、（0,140,0）GUI：MainMenu→Preprocessor→Modeling→Creat→Areas→Arbitrary→Through Kps，弹出拾取线对话框，依次拾取刚刚建立的4条个关键点，需要安顺时针或者逆时针顺序。

点击OK 按钮。

GUI：MainMenu→Preprocessor→Modeling→Creat→Areas→Circle→Solid Circle，弹出拾取线对话框，按照下图所示进行设置输入。

点击OK。

同理在底部建立另外三个孔，半径均为7mm，输入坐标分别为（110,30）、（30,110），（110,110），最终建立图形如下所示。

GUI:MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→Area By Area，弹出拾取面对话框，先拾取大面，点击OK，再次弹出拾取面对话框，再拾取四个小面，点击OK，进行面切割，切割完图形如下所示。

基于ANSYS的轴承座的有限元分析摘要：本文利用ANSYS14.0对轴承座的强度进行有限元分析。

通过三维实体建模，设置单元类型，设置材料参数，网格划分控制，施加载荷约束建立轴承座的有限元模型，然后对轴承座进行求解，得出应力，位移分布图和变形图，继而对其进行强度分析，找出结构最易破坏的地方。

最后的计算结果表明该轴承座符合强度设计要求。

关键词：有限元分析、轴承座1.引言轴承座可以为轴提供支撑，并且承受轴传递的各种载荷。

一个可靠的轴承座对于减轻轴的偏心振动，保证设备的正常性能具有重要作用。

但由于轴承座形状复杂，传统的解析法无法较为精确地计算其性能。

所以使用有限元分析软件ANSYS，对汽车上的某轴承座的承载特性进行有限元分析。

2.建立有限元模型该轴承座采用普通碳钢Q235，弹性模量E=2.01E11，泊松比u=0.3。

沉孔上受到径向推力为1000psi（6.89MPa)，安装安装轴瓦的下表面受到向下作用力5000psi（34.45MPa)。

Q235的屈服极限为34808psi（240MPa)。

2.1在ANSYS14.0中建立三维实体模型在ANSYS中建立实体模型时，主要有自底向上和自顶向下两种方法。

根据该轴承的结构特点，采用自顶向下的建模方法，并且综合运用工作平面的平移、旋转，布尔运算，镜像等方法生成轴承座的实体模型。

模型的创建过程大致分为以下三步。

第一步进行基座的创建，如图1所示。

图1 轴承座基座第二步进行支撑部分的创建，如图2所示。

图2 轴承座支撑部分第三步进行肋板的创建，并且通过镜像完成轴承座三维实体的创建，见图3。

图3 轴承座三维模型2.2网格划分2.2.1设置单元类型在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同的特性单元，所以选择合适的单元对于有限元分析非常重要。

在此我们选择Solid187单元，它是三维10节点四面体结构实体单元，每个四面体边的中点也是节点，其中每个节点具有3个自由度，具有空间的任意方向。

练习：轴承座 (3-D实体结构)有限元分析1．启动ANSYS(1)Utility Menu→File→Change Directory…改变工作目录(2) Utility Menu→File→Change Jobname…定义文件名(3) Utility Menu→File→Change Title…定义分析标题2．定义分析类型GUI：Main Menu→Preferences，在对话框中选择分析类型为Structural，程序分析方法为h-Method.3．定义单元类型：定义10-节点四面体实体结构单元(SOLID92)Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add，在弹出的对话框中左边选择Structural Solid ，右边框选择Tet 10 Node 92→OK4. 定义材料特性Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models，Structural→Linear→Elastic→Isotropic。

输入弹性模量EX=3e7，泊松比PRXY=0.3，OK。

5．创建几何模型该模型是左右对称结构，只需创建对称部分。

整体坐标原点设在对称面与基座底面的后交点处。

(1)创建底座Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Volumes →Block→By 2 Corners & Z 在弹出的对话框中分别输入：WPX,WPY,Width,Height,Depth（0,0,3,1,3）→OK。

即第一个角点在局部坐标系中的坐标值及体的宽度和高度（即第二个角点的坐标）；Depth（3）为体的高度，沿WZ坐标轴。

取正值时图形沿局部坐标正向，取负值时图形沿局部坐标负方向绘出。

Utility Menu→PlotCtrls→ Pan,Zoom,Rotate→Iso绘正等侧视图。

ANSYS在轴承座线性分析中的应用摘要：轴承座已在各种机械传动中得到了广泛的应用。

本文在考虑轴承座结构的基础上，利用通用有限元软件ANSYS的线性模块，对轴承座在受力状态下的结构受力性能进行了深入分析。

分析结果表明，利用ANSYS可以很方便地解决轴承座的线性分析问题。

关键词：轴承座线性分析ANSYSABSTRUCT:The bearing block has set up a file in the various mechanical drive in a wide range of applications. In this paper the structural stress performance of the bearing block is analyzed by general finite element program ANSYS based on geometric linear principle. The analysis conducted includes the initial prestressed state .The analyse results showed that using ANSYS can be easily solve linear analysis of the bearing block.KEY WORDS: bearing block linear analysis ANSYS一、引言有限元方法发展到今天，已经成为一门相当复杂的实用工程技术。

有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征。

即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型。

模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。

ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型CAE通用有限元分析软件，可广泛应用于航空航天、机械、汽车交通、电子等一般工业及科学研究领域。

轴承座轴承座 轴瓦轴瓦 轴四个安装孔径向约束向约束 (对称) 轴承座底部约束(UY=0) 沉孔上的推力 (1000 psi.) 向下作用力 (5000 psi.) 实验十 轴承座的有限元建模与分析（一）实验目的（一）实验目的1.熟悉并掌握ANSYS 软件的使用方法；软件的使用方法；2.掌握如何利用ANSYS 建立复杂实体模型；建立复杂实体模型；3.掌握如何利用ANSYS 分析复杂模型应力分析。

分析复杂模型应力分析。

（二）实验设备和工具（二）实验设备和工具装有装有ANSYS 分析软件的计算机分析软件的计算机（三）问题描述：（三）问题描述：（四）实验步骤：（四）实验步骤：首先进入前处理(/PREP7) 1. 创建基座模型创建基座模型 生成长方体生成长方体Main Menu ：Preprocessor>Create>Block>By Dimensions 输入x1=0,x2=3,y1=0,y2=1,z1=0,z2=3 平移并旋转工作平面平移并旋转工作平面Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments X,Y ,Z Offsets 输入2.25,1.25,.75 点击Apply XY ，YZ ，ZX Angles 输入0，－90点击OK 。

创建创建圆柱圆柱圆柱体体Main Menu ：Preprocessor>Create>Cylinder> Solid Cylinder Radius 输入0.75/2, Depth 输入－1.5,点击OK 。

轴承系统 (分解图) 载荷拷贝拷贝生成生成生成另另一个一个圆柱圆柱圆柱体体Main Menu ：Preprocessor>Copy>Volume 拾取圆柱拾取圆柱体体,点击Apply, DZ 输入1.5然后然后点击点击OK 从长方体长方体中减去两中减去两中减去两个个圆柱圆柱体体Main Menu ：Preprocessor>Operate>Subtract Volumes 首先首先拾取被减拾取被减拾取被减的长方体，点击的长方体，点击Apply ,然后拾取减去后拾取减去的的两个圆柱圆柱体，点击体，点击OK 。

基于ANSYS的滚针轴承的有限元分析作者简介:马星国(1963-),男,教授.E mail:**********************基于ANSYS 的滚针轴承的有限元分析马星国1,2,孙雪1,尤小梅1,2(1.沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004)摘要:基于有限元分析软件A NSYS,建立了滚针轴承的三维有限元模型,以典型的径向载荷和边界条件为例,对其进行静力学接触分析,得出了轴承承载过程中的应力和变形趋势及接触应力的变化规律,空心轴和轴承外圈在径向方向上的最大等效应力并非出现在接触表面,而是分别出现在距接触表面0.256mm 和0.268mm 处.关键词:滚针轴承;有限元分析;接触应力中图分类号:T H 133.33 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2008)03-0328-05ANSYS enabled finite element analysis on needle bearings MA X ing guo 1,2,S UN Xue 2,YO U Xiao mei 1,2(1.S chool of Mechani cal Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China;2.Mechani cal Engineering College,Northeastern University,Shenyang 110004,China)Abstract :A three dimensional model is first established for needle bearings using such an FEA softw are as ANSYS TM .Afterw ards,the static mechanical contacting analysis is specifically conducted based on radial loads and boundary conditions.Then,the stress and deformation trends,tog ether w ith contacting stress changes,are acquired for needle bearings in the loading process.Eventually,the equivalently maximal tresseson the hollow shaft and bearing outer ring are produced w ith 0.256mm and 0.268mm displacement from contacting surface,respectively.Key words :needle bearing ;finite element analysis;contacting stress滚针轴承横截面小,但有很强的承载能力,适用于径向空间有限的轴承配置.因其具有质轻及刚性高之特性,可容许在严酷情形下使用:如高转速、冲击荷重等情形.在滚动轴承的设计与应用分析中,经常会遇到轴承的承载能力、预期寿命、变形与刚度等问题,这些问题都与轴承的受力和应力分布状态密切相关[1].因此,对滚针轴承进行接触应力和变形的分析计算对了解轴承工作状况具有重要的意义.本文采用ANSYS 有限元分析软件建立滚针轴承的有限元模型并加载求解,进行静力学接触分析.1 弹性接触问题的理论解析接触分析能解决典型的状态非线性问题,在工程实践中应用广泛.由于传统赫兹理论是在许多假设的前提下推导出的近似解,而在许多场合这些假设是不成立的,因此运用赫兹理论来解决接触问题存在一定的局限性.ANSYS 则能解决所有赫兹接触问题,并且计算结果精度较高.用ANSYS 软件分析接触问题前需先明确如何合理选择接触单元及接触分析的基本步骤[2].一般说来,接触问题属于数学上的混合边值问题,积分方程是接触力学的主导方程.求解积分方程可第6卷第3期2008年9月中国工程机械学报CH INESE JOU RNAL OF CONST RUCT ION MACH INERY Vol.6No.3 Sep.2008以用积分变换,而平面接触问题可以用复变函数求解,即是以半平面的边界方程作为根据,寻求半平面内部的一个解析函数或位势函数,从而得到接触变形和接触应力的计算公式.轴线平行的2圆柱体接触时,变形前二者沿一条直线接触,受力P 后,接触处发生了弹性变形,接触线变成宽度为2b 的矩形面(图1),接触面上的压力按椭圆柱规律分布.变形最大的x 轴上压力最大,以p 0表示,接触面上其余各点的压力按半椭圆规律分布如图2.最大压力为p 0= H =2P bL (1) 由赫兹公式知b =4P L 1- 21E 1+1- 22E 21R 1+1R 2式中: 1, 2为2球体材料的泊松比;E 1,E 2为2球体材料的弹性模量.上式代入式(1),得2圆柱体的接触应力为H =PL 1R 1+1R 21- 21E 11- 22E 2(2)取综合曲率半径为R ,则1R =1R 1+1R 2,若为2圆柱体内接触,则以1R =1R 1-1R 2代入式(2)计算[3].2 建模、约束条件、施加载荷与求解2.1 有限元模型的建立[4]本文采用的是无内圈满针的滚针轴承,装配在空心轴上,空心轴的外径为47.5m m,内径为30mm,滚针轴承的内径为47.5mm,外径为58mm,滚针直径5mm,有效长度为26mm.由于轴承的上半圈不承受载荷,因此只建立下半圈模型进行分析.选择的单元类型为Solid8node45,轴承材料的弹性模量 E =206GPa,泊松比=0.3,将接触区域的网格细化,共有188249个单元,398765个节点.2.2 施加边界条件[5]将轴承外圈的外表面施加全约束,截面对称约束,对空心轴的端面z 向的自由度进行约束.为简化计算,本文只考虑滚针与外圈和空心轴的接触情况,忽略滚针之间的互相接触,所以在柱坐标下将滚针进行y ,z 方向的位移U y ,U z 约束.329 第3期马星国,等:基于ANSYS 的滚针轴承的有限元分析图3 加载后的模型Fig.3 M odel of af ter loading2.3 加载滚针轴承只承受径向载荷,对空心轴的内表面加载,实际的载荷是1个变化的值,底部最大,到边缘逐渐减小,基本满足如下函数关系:Q i =Q 1 sin ![6],其中Q 1为最大载荷,!为夹角,在这里Q 1为104N,如图3为加载后的模型.2.4 创建接触对及求解分别以空心轴的外表面和外圈的内表面为目标面,滚针为接触面共创建62个接触对,采用静力分析模型,设定载荷子步数,进行非线性分析,计算结果收敛.2.5 有限元分析结果通过ANSY 后处理分析,得到径向载荷作用下滚针轴承同空心轴的等效位移云图和M ises 等效应力云图,见图4和图5.取最下面即承载最大的滚针为例,选取接触面中心轴上的节点,设置路径,可以得到滚针与空心轴的轴向接触应力分布及滚针与外圈的轴向接触应力分布,见图6和图7.由图6中可以看到,除了滚针端部的接触应力值急剧变大外,在滚针轴线方向的接触应力值分布相对比较平均.而由图7可以看到滚针与外圈接触时,接触应力的分布也很均匀,在滚针的两端应力值衰减为零.选取滚针中间截面上周向的各节点,得到与空心轴接触端的滚针周向接触应力分布(见图8)和与外圈接触端的滚针周向接触应力分布(见图9),可以看到在接触中心的接触应力最大,沿着远离接触中心的330 中国工程机械学报第6卷方向,接触应力值逐渐减小到零,整个应力分布曲线呈抛物线状,这与赫兹弹性体接触理论的应力分布规律是相同的.图8和图9的分布规律几乎相同,只不过数值不同而已.图10和图11分别为空心轴和外圈沿径向等效应力分布图.从图中可知,空心轴和外圈的最大等效应力值出现在距接触表面0.256mm 和0.268m m 处,并非接触表面.3 结论(1)由计算可知最大的接触应力值为644M Pa,而材料的屈服极限是1175MPa,材料满足强度要求.(2)最大接触应力出现在滚针与空心轴的接触面上.滚针在接触面中心的接触应力最大,沿着远离接触中心的方向,接触应力值逐渐减小到零,整个应力分布曲线呈抛物线状,这与赫兹弹性体接触理论的应力分布规律是相同的.(3)滚针与空心轴接触时,在滚针的端部出现了边缘效应!的现象,设计时应该设置减载槽,以消除边缘效应!.2端以外应力值分布相对比较均匀.滚针与外圈接触时,因有减载槽,没有在两端出现应力集中的现象,相反应力值衰减为零.(4)空心轴和外圈在径向方向上的最大等效应力并非出现在接触表面,而是在距接触表面0.256mm 和0.268m m 处.331 第3期马星国,等:基于ANSYS 的滚针轴承的有限元分析参考文献:[1] 万长森.滚动轴承的分析方法[M ].北京:机械工业出版社,1985.W AN Changsen.Anal ysis method of rolling[M ].Beij ing:China M achine Press,1985.[2] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS 上的实践[M ].西安:西北工业大学出版社,1999.WANG Guoqiang.Practical w ork in numerical simulation technology and practice based on ANSYS[M ].Xi ?an:Northw es t Polytechnical University Press,1999.[3] 章希胜,武震,张景春.机械零件的接触应力计算[J].机械,2000(01):70-72.ZHANG Xisheng,W U Zhen,ZHANG Jingchun.M echan i cal parts of the contact stress calculation[J].M echanical,2000(01):70-72.[4] 博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M ].北京:中国水利水电出版社,2006. 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基于ANSYS的轴承座有限元分析摘要:NSYS软件具有建模简单、快速、方便的优点，因而成为大型通用有限元程序的代表。

基于有限元思想，运用ANSYS软件建立了轴承座的三维模型，对轴承座进行强度分析．先通过选择单元类型，划分网格、施加边界条件等步骤建立轴承座的有限元模型，再对轴承座进行强度和变形分析，找出结构最易破坏的位置。

计算结果表明该轴承座强度符合设计要求。

关键词:轴承座; 有限元；ANSYS;实体建模；网格划分Finite Element Analysis of Bearing Seat Based on ANSYSAbstract：Because the software of ANSYS has the characteristeristics Such as model building simply,fast and conveniently,it becomes the representation of large universal finite element procedure.Based On finite element theory．the 3D model of a beating block was established with ANSYS software carry out the intensity analysis for bearing seat ．At first，establish the selecting unit type，dividing grid，and imposing boundaries；then，carry out intensity and distortion analysis and find out the most fragile components of the system．The result presented that the intensity of this bearing seat could reach the design request. Keywords:bearing seat；finite element;ANSYS;the entity sets up the mold;the mesh divide the line1 前言作为工业领域中不可或缺的配件，轴承座在汽车、航空、冶金、矿山等行业的应用越来越广泛。