精品完整版基于ANSYS的轴承座的模态分析.docx

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精品完整版基于ANSYS的轴承座的模态分析

河南科技学院

2013届本科毕业论文（设计）

论文题目：

基于ANSYS的轴承座的模态分析

学生姓名：

刘x

所在院系：

机电学院

所学专业：

机械设计及其自动化

导师姓名：

完成时间：

2013年5月8日

摘要

轴承座在机械生产中很常见，在各类机器、机构中都有它存在的身影，由于轴承座本身结构并不是太复杂， 所以本文并没有借助其他类型的三维软件建模， 而是在ANSYS环境下 建立的模型。

轴承座的受力主要是分布在轴承孔圆周上， 还有轴承孔的下半部分的径向压力载荷。

为了提高结构的抗振性，本文借助于ANSYS软件强大的模态分析功能，运用ANSYS软件建立了轴承座的三维模型，并对轴承座进行模态分析，并给出前20阶的固有频率和振型，以此来指导结构的优化设计[1]。

关键字：

轴承座，模态分析，有限元，ANSYS

Abstract

Bearingseatiscommoninthemachinerymanufacturing,itexistsinallkindsofmachine,figure,becausethebearingseatstructureitselfisnottoocomplicated,sothisarticledoesnotuseothertypesof3dsoftwaremodeling,butestablishedunderANSYSenvironmentmodel.Stressismainlydistributedinthebearingholeofthebearingonthecircumferenceofacircle,andthebearingholeofthebottomhalfoftheradialpressureload.Inordertoimprovethevibrationresistanceofstructure,inthispaper,withtheaidofpowerfulmodalanalysisfunctionofANSYSsoftware,andthe3dmodelofthebearingwasestablishedbyapplyingtheANSYSsoftware,andthemodalanalysiswascarriedoutonthebearingseat,andgivethetop20ordernaturalfrequencyandvibrationmode,inordertoguidetheoptimizationdesignofstructure.

Keywords:

bearingseat，modalanalysis，finiteelement，ANSYS

目录

1引言1

2ANSYS概述和分析步骤1

2.1概述1

2.1.1ANSYS简介1

2.1.2ANSYS主要的应用的领域1

2.1.3ANSYS的主要功能2

2.1.4ANSYS提供的分析类型2

2.1.5ANSYS的操作界面3

2.2ANSYS分析步骤4

2.2.1创建有限元模型4

2.2.2施加载荷进行求解4

2.2.3.后处理5

3轴承座的实体建模5

3.1建立模型的典型步骤6

3.2轴承座建模6

4轴承座的模态分析11

4.1模态分析理论及分析过程11

4.2 模态分析步骤11

4.2.1指定分析标题并设置分析范畴11

4.2.2定义单元类型11

4.2.3划分网格12

4.2.4进入求解器并指定分析类型和选项12

4.2.5施加边界条件13

4.2.6执行求解13

4.2.7列出固有频率13

4.2.8查看模态形状13

4.2.9模态分析结果15

5结论15

6总结15

致谢17

参考文献18

1引言

随着现代机械设计要求的日益提高，将有限元法运用于机械设计和机械运动分析成为必然的趋势，主要体现在：

传统机械设计耗费工时，设计周期长，产品成本较高。

传统机械设计是在有限的几个方案中比较或者选择一个比较优秀的方案进行设计的，这就使得设计具有一定的盲目性。

将有限元法运用到机械设计去，可以优化零件形状，降低消耗和成本，提高产品的质量和性能。

最为重要的有限元法大大缩减了设计周期，减少了试件的制作。

有限元法在产品设计和研究中显示出无比的优越性，使其成为企业在市场竞争中的有利工具，已经越来越受到工程技术人员的重视。

目前工程中以广泛使用计算机辅助工程软件（CAE），商业化的CAE软件技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM,即FiniteElementMethod）,边界元法（BEM,即BoundaryElementMethod），有限差法（FDM,即FiniteDifferenceElementMethod）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。

轴承座作为工业领域中不可或缺的配件，在汽车、航空、冶金、矿山等行业的应用越来越广泛。

轴承座是装在汽轮机汽缸本体或基础上用来支撑轴承的构件。

轴承座是轴承与箱体的集合体，以便于应用，这样的好处是可以有个好的配合，更方便的使用，减少了使用厂家的成本。

轴承座主要是与轴承配套使用的，轴承外圈和轴承座采用过盈配合，轴承座起一定的支撑作用，以便于轴承的广泛使用。

但由于长时间处于交变荷载或冲击荷载的作用下，轴承座在肋板与轴承座、轴瓦孔内缘线以及轴承座与基底相接触的地方会存在应力集中，这对于轴承座的使用非常不利，而且如果其工作频率与固有频率相等或接近时，会影响到它的使用寿命，甚至引起安全事故，因此对于其动态性能和振动的分析显得十分重要。

通过ＡＮＳＹＳ软件对轴承座进行了有限元动力学模态分析，研究结果可为轴承座的动态响应计算和结构优化设计提供理论依据[2]。

2ANSYS概述和分析步骤

2.1概述

2.1.1ANSYS简介

ANSYS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,NASTRANAlogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

2.1.2ANSYS主要的应用的领域

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。

2.1.3ANSYS的主要功能

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，目前，有限元法从它最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。

在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。

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

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。

ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：

实体建模和网格划分。

分析计算模块

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

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200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

2.1.4ANSYS提供的分析类型[3]

ANSYS软件提供的分析类型如下：

结构静力分析

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。

静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。

ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

结构动力学分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。

与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。

ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：

瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

结构非线性分析

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。

ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

动力学分析

结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。

当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

热分析

程序可处理热传递的三种基本类型：

传导、对流和辐射。

热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。

电磁场分析

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。

还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

流体动力学分析

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。

分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。

并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。

另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

声场分析

ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。

这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

压电分析

压电效应分析是一种结构－电场耦合分析，给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压，一个典型的压电分析的应用是压力换能器。

ANSYS压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。

这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。

可进行四种类型的分析：

静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

2.1.5ANSYS的操作界面

图2-1操作界面

ANSYS操作界面如上图所示，目前还没有汉化版本，主要使用的是10.0版本。

该软件的操作界面比较复杂，特别是建模部分较为繁琐。

因此一般都是用三维软件建模，再将模型导入ANSYS经行网格划分和分析计算。

这样能大大的提高工作效率。

2.2ANSYS分析步骤

2.2.1创建有限元模型

（1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性）

（2）创建或读入几何实体模型

1）几何建模和单元选择一般同静力学步骤

2）材料设置：

必须输入密度；注意单位

（3）有限元网格划分

2.2.2施加载荷进行