基于有限元法的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析與研究說(shuō)明書(shū)

基于有限元法的滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析與研究說(shuō)明書(shū),基于,有限元,滾動(dòng)軸承,結(jié)構(gòu),以及,分析,研究,鉆研,說(shuō)明書(shū),仿單 基于ANSYS WORKBENCH軸承的模態(tài)分析摘 要：本文基于有限元方法，利用ANSYS/WORKBENCH軟件對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)與模態(tài)分析。得到了軸承主體鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形以及前6階固有頻率和振型，可為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有一定的實(shí)際工程意義。關(guān)鍵詞：軸承；有限元；靜力分析；模態(tài)分析；ANSYS/WORKBENCH中圖分類號(hào)：TH228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AStatic analysis and modal analysis of heavy-duty slat feeder based on ANSYS/WORKBENCH(Faculty of Mechanical Engineering, DalianUniversity of Technology, Dalian 116024, China)Abstract Based on the finite element theory, through static analysis and the modal analysis on the structure of heavy-duty slat feeder by the ANSYS/WORKBENCH software, the stress, deformation, the first sixth natural frequencies and vibration modes are calculated. They provide an essential theoretical basis for optimization design and light weight. The paper has some reference values on engineering.Keyword: heavy-duty slat feeder; finite element; static analysis; modal analysis; ANSYS/ WORKBENCH0 引言作為典型機(jī)械元器件的軸承，主要承擔(dān)轉(zhuǎn)動(dòng)工作，主體鋼結(jié)構(gòu)作為軸承的承載和支撐部件，其強(qiáng)度、彈性變形和動(dòng)態(tài)特性直接影響設(shè)備的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)性能研究是一項(xiàng)非常繁瑣的過(guò)程,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、原件集合尺寸差異大，單純的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)難以保證結(jié)構(gòu)的可靠性，潛伏問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)，因而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能完全滿足設(shè)計(jì)的需求。隨著計(jì)算機(jī)軟件的不斷開(kāi)發(fā)，現(xiàn)代重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都采用彈性力學(xué)有限元法，使設(shè)計(jì)水平得到顯著的提高1。本文以某企業(yè)自移式破碎站的軸承主體鋼結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行靜力與模態(tài)分析，對(duì)驗(yàn)證軸承主體鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求；推斷未測(cè)或難測(cè)部位的應(yīng)力和變形狀態(tài)；找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)并改進(jìn)具有重要的理論參考和實(shí)踐意義。1有限元模型的建立利用proe軟件進(jìn)行建模，可以從原件庫(kù)里面直接調(diào)用，也可以重新建模，建模無(wú)需建立裝配模型，只需要在單體零件中直接建立軸承內(nèi)外圈和球體，選擇不合并實(shí)體，從而形成多實(shí)體的單體零件。軸承元件之間的間隙可以消除。 三維模型的建立三維模型的建立是數(shù)值模擬分析中重要、關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。UG軟件能夠方便地建立復(fù)雜的三維模型，企業(yè)提供的初始的軸承三維模型主體鋼結(jié)構(gòu)是由不同厚度的鋼板焊接而成，模型鋼板之間存在較多的焊縫，導(dǎo)致模型存在不同大小的間隙，給后繼有限元分析帶來(lái)困難，而且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且為三維實(shí)體，建立有限元模型的過(guò)程中，要在符合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下建立模型，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)做合理的簡(jiǎn)化。其主要簡(jiǎn)化說(shuō)明如下：（1）.忽略零件中一些微小特征。螺栓孔、倒圓角等一些微小的結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響很小，所以建模時(shí)不考慮這些微小幾何圖元；（2）.所有焊接位置不允許出現(xiàn)裂縫、虛焊等工藝缺陷，認(rèn)為在焊接位置材料是連續(xù)的，直接填充間隙；（3）.軸承模型附件品種繁多，形狀復(fù)雜，且對(duì)機(jī)架的剛度和強(qiáng)度影響不大，在計(jì)算模型中只要考慮其自重即可，例如料斗、輥?zhàn)?、走臺(tái)、鏈板等其它輔助設(shè)備。 材料屬性 結(jié)構(gòu)用鋼均采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼材，Q235的彈性模量E=2.1e11N/m2，密度7830 kg/m3，剪切模量為81000MPa，泊松比為0.3，模型材料為各向同性。表1 材料Q235許用應(yīng)力一覽表: MPa (N/mm2)Tab.1 List of Material Q235 Allowable stress: MPa (N/mm2)厚度t（mm）屈服極限sQ235許用應(yīng)力I 類載荷安全系數(shù) 1.5類載荷安全系數(shù) 1.33類載荷安全系數(shù) 1.2aaaaaat162351579017710219611316t40225150871699818810840t1002151438316293179103 網(wǎng)格劃分有限元網(wǎng)格數(shù)目過(guò)少，容易產(chǎn)生畸變，并影響計(jì)算精度；而數(shù)目過(guò)大，不僅對(duì)提高精度作用不大，反而大大增加了計(jì)算工作量2。因此網(wǎng)格劃分前對(duì)模型進(jìn)行了體切割與粘接布爾用算，再采用自由劃分方式，以滿足計(jì)算精度與控制計(jì)算量的要求。單元類型采用的是三維實(shí)體單元Solid 164。將模型的單元大小設(shè)置為100mm，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示：劃分網(wǎng)格后生成：節(jié)點(diǎn)數(shù)：391020個(gè)單元數(shù)：56282個(gè)圖1軸承主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型Fig.1 Meshing model of the heavy-duty slat feeder structure 施加載荷與約束1.4.1約束施加軸承鋼結(jié)構(gòu)與下部銜接結(jié)構(gòu)部分的六個(gè)連接面和兩個(gè)支撐面采用固定約束（fixed support）。如圖2所示：1.4.2載荷施加參考移動(dòng)式散料連續(xù)搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JB/T8849-2005）確定軸承載荷定義和工況組合計(jì)算方法。根據(jù)加載頻率，軸承鋼結(jié)構(gòu)需要確定以下三種不同類別的載荷:主要載荷、附加載荷和特殊載荷。 在第一種工況下，按I類載荷工況分析，即按照軸承主要載荷進(jìn)行加載，軸承實(shí)際承受的載荷主要有以下幾個(gè)部分：鋼結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備傾斜載荷（重力加速度沿平行和垂直工作面方向加載）、積垢載荷4.2t、軸承輸送物料載荷42t。圖2 軸承主體鋼結(jié)構(gòu)約束情況Fig.1 Constraintsof the heavy-duty slat feeder structure 模態(tài)分析模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型)。它是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，同時(shí)也作為其它更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于模態(tài)分析屬于動(dòng)態(tài)分析中的固有特性分析，固有特性由固有頻率、振型等一組模態(tài)參數(shù)構(gòu)成，它由結(jié)構(gòu)本身(質(zhì)量與剛度分布)決定，而與外部載荷無(wú)關(guān)3。所以在對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只需施加約束即可，約束條件與靜力學(xué)分析時(shí)一致。2. 有限元計(jì)算結(jié)果與分析本文分析了軸承應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果。2.1 靜力學(xué)分析結(jié)果 圖3 軸承主體鋼結(jié)構(gòu)位移云圖Fig.3 Deformation cloudof the heavy-duty slat feeder structure圖4 軸承主體鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.4 Stress cloudof the heavy-duty slat feeder structure圖5 應(yīng)力集中Fig.5 Stress concentration由圖3可看出軸承主體鋼結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在端部，最大值為3.380mm，小于許用撓度f(wàn)4=L/1000=15.180mm,滿足剛度要求。由圖4可看出主體鋼結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力大多集中在181.15Pa-60MPa之間，處于材料Q235的安全工作范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。圖5顯示，最大應(yīng)力發(fā)生在約束點(diǎn)處，等效應(yīng)力值為109.18 MPa，這是由在該處的局部約束引起，符合圣維南原理。在有限元計(jì)算中，采用的約束為節(jié)點(diǎn)約束，而實(shí)際此處約束為局部分布約束，所以此處的應(yīng)力集中可忽略。2.2 模態(tài)分析結(jié)果軸承主體鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表示為各階固有頻率響應(yīng)的線性組合，由振動(dòng)理論可知，在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程中起主要作用的是較低階模態(tài)，高階模態(tài)對(duì)響應(yīng)的影響很小，并且衰減很快，故只考慮低階模態(tài)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響5。低階振動(dòng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定性作用，故在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析計(jì)算時(shí)取前6階，主體鋼結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的固有頻率和振型見(jiàn)下表2所示：表2 模態(tài)分析結(jié)果Fig.2 Result of model analysis階次固有頻率/Hz振型描述大振幅部位及最大幅值19.673鋼結(jié)構(gòu)端尾水平擺動(dòng)端尾，最大幅值0.253mm210.482鋼結(jié)構(gòu)斷尾水平擺動(dòng)端尾，最大幅值0.263mm314.125鋼結(jié)構(gòu)斷尾垂直擺動(dòng)端尾，最大幅值0.323mm415.226鋼結(jié)構(gòu)端尾垂直擺動(dòng)端尾，最大幅值0.318mm516.196鋼結(jié)構(gòu)局部垂直擺動(dòng)人字聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，最大幅值3.534mm623.346鋼結(jié)構(gòu)沿垂直方向發(fā)生扭曲兩端，最大幅值為0.304mm前6階振型如下圖所示：圖6 第1階振型圖 圖7 第2階振型圖Fig. 6 The first vibration mode map Fig. 7 The second vibration mode map 圖8 第3階振型圖 圖9 第4階振型圖 Fig. 8 The third vibration mode map Fig. 9 The fourth vibration mode map 圖10 第5階振型圖 圖11 第6階振型圖Fig. 10 The fifth vibration mode map Fig. 11 The sixth vibration mode map3 結(jié)語(yǔ)（1）通過(guò)對(duì)軸承主體鋼結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果看出，絕大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于150 M Pa，能夠滿足鋼材的強(qiáng)度要求，忽略約束處的應(yīng)力集中，模型突變位置可以加工圓角減小應(yīng)力集中。主體鋼結(jié)構(gòu)的最大撓度也在許用范圍之內(nèi)，同樣滿足剛度要求。（2）經(jīng)過(guò)模態(tài)分析得出鋼結(jié)構(gòu)的前6階的固有頻率和振型，為進(jìn)一步主體鋼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析提供了重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)也為改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論參考。參考文獻(xiàn)1.孫占剛，孫鐵鎧.基于有限元分析的軋機(jī)閉式機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)J.重型機(jī)械，2004(2):44-46;2.鄭玉巧，黃建龍，趙超凡.基于ANSYS的龍門(mén)起重機(jī)主梁力學(xué)性能分析.礦山機(jī)械，2010，38(11):60-62;3.杜平安，甘娥忠，于亞婷.有限元法-原理、建模及應(yīng)用M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006;4.張質(zhì)文，王金諾等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.5.呂廷,石秀東,張秋菊,方昊文. 基于ANSYS的破碎機(jī)機(jī)架模態(tài)分析. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2008(11):99-101.