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基于INVENTOR和ANSYS的重型滚筒轴承座有限元分析

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裴红光

(马钢重机输送机械设备制造公司)

  摘 要:运用三维设计软件Inventor,建立输送机重型滚筒轴承座三维模型,利用Inventor中ANSYS有限元分析模块,通过对轴承座进行强度和变形分析,得到应力分布图、位移信息,找到轴承座应力最大区域。通过对轴承座的有限元分析,为滚筒轴承座优化设计提供理论依据。

  关键词:Inventor ANSYS;重型滚筒;轴承座;有限元分析

  1.引言

  轴承座作为滚筒的重要组成部分,主要是用来支撑滚筒轴和载荷的传递,这就要求轴承座必须具备良好的力学性能和制造工艺的经济性。近年来,由于输送机行业的飞速发展,与之相应的非标重型滚筒轴承座的种类越来越多,结构越来越复杂,在使用过程中对强度和刚度要求越来越高。本文的主要任务是对重型滚筒轴承座进行应力分析和刚度分析,通过对轴承座的应力分析,得到相应的应力分布图,并且找到轴承座应力最薄弱的区域,从而对轴承座优化设计提供参考依据。

  目前国内做有限元分析主要是运用ANSYS软件,Autodesk Inventor Professional软件提供的有限元分析模块式调用了ANSYS软件的网格划分和数字计算的内核技术。这个集成在Inventor中的有限元分析模块(Stress Analysis),可以在机械零件、钢结构或者钣金环境中使用,添加工况、计算应力应变、估算安全系数和频率特性等。

  2.轴承座有限元模型的建立

  轴承座是一种输送机行业常用的系列化产品,标准轴承座有标准图纸,而非标准的重型轴承座需要重新设计。应用Inventor软件,采用参数化建模,模型具有可变性,可以重复使用。根据不同的载荷,改动下模型就能生成系列化产品,实现模块化设计,提高设计工作效率。基于这种设计思想,结合Inventor软件强大的建模功能,来建立轴承座的三维模型。另外还可以利用Inventor软件的渲染功能对轴承座模型进行色彩、材质、纹理等处理,增强模型的真实感。

  本案例选用轴承座为左右对称结构,质量g=810kg,轴承内径为400mm,采用铸铁结构。根据案例要求,轴承座承受最大的径向合力Fr/2=700KN, 最终建立的数字模型如图1所示。

 

  3.轴承座有限元分析

  轴承座有限元模型建立后,点击应用程序菜单下的应力分析选项,之后将切换到“应力分析工具面板”,应力分析工具会自动添加到标准工具栏(一些无关的工具栏项目将自动撤出),同时还将显示应力分析浏览器。然后按照下述5个步骤逐一进行。

  3.1.材料选择

  在Inventor应力分析模块中设有常用材料库,在材料选择中选择与实际应用材料力学性能相同或相近的材料即可。确认好材料种类,如果需要调整,双击材料选项,展开材料列表选择需要的材料,在本例中选择了铁(铸造),质量密度:7.25 g/cm^3;屈服强度:200 MPa;极限拉伸强度:276 MPa;杨氏模量:120.5 GPa;泊松比:0.3 ul;切变模量:46.4 GPa。

  3.2.施加约束

  点击“应力分析”工具面板上的“固定约束”按钮,然后再在模型上选定添加此约束的面。根据轴承座的实际安装方式,轴承座是由四个螺栓固定在支架上的,所以,底面需要施加Z 方向的面约束,在4个螺栓孔位置分别施加X 、Y 方向的面约束,以此约束轴承座的水平和竖直方向位移。施加约束后的效果,如图2。

 

  3.3.施加载荷

  根据本案实际使用情况和初始条件,轴承座承受的载荷有三种,一是轴承座自重g=8.1KN,由于轴承座自重远小于外加力,可以忽略不计,二是滚筒重量G/2=60KN,三是滚筒所受合力Fr/2=700KN。除轴承座自重外,其余的力都是通过轴承传递作用在轴承座上的。轴承载荷不像普通力载荷一样均匀分布,而是采用抛物线式载荷分布,这种载荷只能添加到圆柱面上,而力的分布状态符合孔销传力的规则。

  点击“应力分析”工具面板上的 “轴承载荷”(Bearing load)按钮,然后再在模型上选定要添加此外力的面(本案是轴承座大孔的内表面)。施加载荷后的效果,如图3。

 

  3.4.网格设置

  Inventor提供了允许网格自定义的命令,因而能够控制方案的质量和效率。这些命令可控制网格的全局设置和本地设置。网格设置应用于您选择的特定面和边。网格优化允许改变网格大小以便简捷地覆盖特定特征。查看网格是将网格设置应用于视图中的零部件,并产生图形化的网格表达。预览网格的步骤是:在功能区上,单击 “应力分析”选项卡 “网格”面板 “查看网格”。网格效果图,如图4。


  3.5.分析求解

  在完整加载了分析所需要的条件之后,即可投入分析计算。在工具面板上点击“应力分析”按钮,即可启动分析计算功能,并按前边设置的参数和选定的方案进行计算处理。

  进行过程中,将显示“ANSYS 方案状态”提示框,并实时显示处理的进度和内容,计算完成后,会将显示出结果的图形报告。Inventor提供了等效应力、最大应力、最小应力、位移、安全系数等报告结果。本文选取了典型的等效应力和位移的结果表达图。计算结果如图4、图5。

 

等效力图



位移图

  从图4等效应力图可以看出,轴承座的最大应力值为12.49MPa,位置在筋板和内孔结合处,远小于屈服强度200 MPa,满足强度要求,为了减少应力集中,本文建议适当增加该区域过渡圆角半径,并进行铸造退火处理,最大程度减少残余应力。从图5位移图可以看出,轴承座整体位移比较均匀,最大位移为0.01807mm,满足刚度要求,小于许用位移0.2mm,均在合理范围内。综合分析,轴承座应力分布比较均匀,强度和刚度满足最初设计要求,且在结构上还可以继续优化。

  总结:

  本文利用Inventor软件建立了某种滚筒轴承座的三维几何模型,利用其中的有限元分析模块(Stress Analysis),证明了轴承座设计的合理性。而且应力分析结果表明,轴承座应力较为均匀,具有良好的力学特性。通过利用有限元分析,可以缩短设计周期,节约设计成本,为轴承座的优化设计提供了充分的理论依据。

  参考文献:

  [1]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 1992.

  [2]李晓磊,郭学锋等. 铸铁轴承座载荷计算及结构分析[J].铸造技术, 2005.

  [3]李泽天,王兴伟等.基于ANSYS的轴承座有限元分析[J].兵工自动化, 2008.

  [4]薛风先,胡仁喜等.Ansys12.0机械与结构有限元分析从入门到精髓[M].北京:机械工业出版社,2010.