基于有限元的轴承座静力学和模态分析

基于有限元的轴承座静力学和模态分析

何航宇，王林武，杨宗成，邓欢，陈利

四川中烟工业有限责任公司成都卷烟厂，成都610066

摘要：轴承座是机械行业常用的支撑零件，利用三维建模软件对轴承座进行建模，再进行有限元计算，进行结构的等效应力和最大变形分析，以及模态分析。并根据计算得到的等效应力最大值的位置对结构进行优化设计，并再次进行分析计算，并与之前分析结果对比，结果表明轴承座强度在零件的许用范围内。

关键词：ANSYS；轴承座；静力分析；模态分析

中图分类号：TH133.3                     文献标志码：A

1引言

轴承座是机械行业中广泛的支撑零件，轴承座内安装有轴承，承受由轴承内旋转轴产生的径向载荷和轴向冲击，在交变载荷的作用下会发生磨损和振动等，轴承座的类型与轴承相对应，部分轴承对轴承座有不同的要求。由于轴承座的形状较为复杂，使用传统的解析法对轴承进行受力分析计算性能时存在较大的误差[1-2]，随着CAE技术的发展，目前多用计算机辅助求解工程结构强度、刚度、变形等分析以及对设计结构进行优化的一种近似数值分析方法。

有限元软件提供了统一的工程分析工作环境，在这个环境下不但能对产品进行线性、非线性、静力、动力等常规分析求解，而且也可实现真正的基于计算机的虚拟原型模拟系统。本文对轴承座进行了有限元分析，验证了模型在受载时结构的合理性与安全性。

2轴承座模型建立

轴承座由底板、支撑板、肋板、凸台、圆筒组成，三维模型如图1所示。

图1 轴承座三维模型

3参数设置

在进行模型结构分析之前，需要定义材料的属性、结构在实际工况中的受力情况，并对模型进行网格划分，以提高分析计算精度。

3.1轴承座模型网格划分

网格划分的过程就是将结构模型离散化的过程，通常情况下网格划分的单元越多越密集，仿真所得结果与现实情况越接近[3-4]。分析结果的最大应力位置处至少需要覆盖两层单元，如果满足此条件，那么网格划分大小满足要求。根据模型的复杂程度及其结构特性选择单元体的类型，此轴承模型支撑座选用六面体单元类型，网格大小1mm，网格总节点数共476208，单元体个数125626，网格生成结果如图2所示。

图2 网格划分结果

3.2 载荷和边界条件

轴承座通过底板上两个螺栓进行固定，底板底面与其他零件接触，故轴承座在Y轴方向的自由度受到限制，Y方向位移为0，X、Z方向自由。轴承座承受由轴通过轴承施加一个垂直于轴承座底面的一个力，力的大小为5600N。

4静力仿真结果分析

4.1强度分析

结构的等效应力云图如图3所示，此时结构的最大等效应力为130.7Mpa，小于结构钢的屈服强度235MPa,故强度条件满足。此时最大应力位置在两个相交面的交线位置，应力集中现象明显，对此处结构优化增加2mm倒角，再次进行求解得到此处应力为96.97MPa，有效降低了此处应力值，如图4所示。

图3 等效应力云图 图4 模型优化计算结果

4.2 变形分析

结构变形如图5-7所示，总的变形量为0.017292mm，最大变形率0.023%，变形量小，能够保证结构正常工作，发生变形位置大部分在圆筒位置以上，主要变形沿着Z轴方向，由于轴承座受竖直向下的力，结构整体沿Y轴方向均有变形，变形量极微，对结构不造成影响。

图5总变形量       图6 Z轴方向变形量 图7 Y轴方向变化量

5模态分析

模态分析作为动力学基本分析之一，是计算结构固有频率和振型数值的技术，也是其他动力学分析的基础[3-6]。模态分析求解零部件的固有频率和振型，避免在实际工况中结构的固有频率和激励频率相同使机构发生共振。

图8 轴承座8阶固有频率

在分析模块中对结果进行求解，得到轴承座的8阶固有频率，如图8所示，然后分析所有频率下零件的变形结果。轴承座各阶振型图如图9-16所示。

图9 一阶振型图图10 二阶振型图图11 三阶振型图图12 四阶振型图

图13 五阶振型图图14 六阶振型图图15 七阶振型图图16 八阶振型图

分析轴承座振型图可知，当轴承座受到竖直向下作用力的激励影响时，一二三四阶振型图都表现为轴承座圆筒从上到下下震动的频率特性，五六七八阶振型图表现为圆筒从左向右的振动频率特性。当在第七阶振型时，圆筒受到垂直于底板的径向力的激励作用，第八阶振型由于激励频率的影响，此时轴承座圆筒发生扭转变形，与之相连的支撑板变形量最大。

6结论

本文对轴承座进行了静力分析和模态分析，当施加载荷5600N时测试轴承座的应力，均满足材料的力学性能，结构所受到的最大应力100.3MPa,最大位移0.017292mm，并对结构进行模态分析，在第八阶固有频率为21764Hz时，频率下的轴承座达到最大变形，变形量为0.138mm，均满足强度要求。

参考文献:

[1] 赵忠杰. 基于ANSYS Workbench软件在轴承座模态分析中的应用 [J]. 防爆电机, 2022, 57 (01): 27-28+42.

[2] 黄从阳,李旭锋. 基于ABAQUS的轴承座静力学和动力学分析 [J]. 农业装备与车辆工程, 2020, 58 (11): 125-128.

[3] 胡瑞雪,张玉泉,赵占良,等. 基于ANSYS Workbench的边梁式车架有限元分析[J]. 内燃机与配件, 2020, 318(18): 22-23.

[4] 饶吉来. 基于有限元法的轴承座多载荷有限元分析 [J]. 煤矿机械, 2016, 37 (11): 74-76.

[5] 王娜,王磊. 基于ANSYS风力发电机组轴承座强度分析和疲劳寿命计算 [J]. 机电产品开发与创新, 2015, 28 (04): 19-21.

[6] 卢正伟. 基于有限元法的滑动轴承座静动态特性分析 [J]. 机械研究与应用, 2014, 27 (01): 33-35+38.

[7] 刘笑天. 基于ANSYS的轧机轴承座的有限元分析[J]. 重工与起重技术, 2013, 37(1): 5, 12.

[8] 王立鹏,王欣彦,战洪仁等. 转子/轴承/轴承座系统动力学特性的三维有限元分析 [J]. 机械设计与制造, 2013, (09): 147-150.

[9] 李泽天,王兴伟,李小飞. 基于ANSYS的轴承座有限元分析[J]. 兵工自动化, 2008, 27(12): 94-96.

1