�、� 軸承座的結構分析及優化 摘要 ：軸承座在機械生產中是很常見的，在各類機器、機構中都不會缺少它的身影。在本次設計中，選擇安裝在滾珠絲杠兩端安裝的軸承座為研究對象，軸承座的所受到的力主要分布在軸承孔上，除此之外在軸承孔的下半部分有徑向壓力載荷力。長時間的負荷會使軸承座發生形變，甚至損壞為了提高結構的整體性能，需要研究軸承座的結構。 本次設計通過使用 ABAQUS 軟件的有限元分析功能，運用 ABAQUS 軟件對軸承座進行線性靜態分析的方法，通過軟件有限元分析輸出的結果，觀察應力云圖。在對軸承座的受力分析和對有限元分析出的結果的基礎上，找出軸承座的薄弱地方，適當改變軸承座的結構，找出至少兩種不同的優化方法，并對優化后結構得出的數據進行對比和分析，選出較好的軸承座的優化方式。 關鍵字：軸承座 ； 靜態 分析 ； 有限元 ； ABAQUS 軸承座的結構分析及優化 II Structural Analysis and Optimization of Bearing Seats Abstract ： Bearing housing is very common in mechanical production, in all kinds of machines, institutions will not lack of it. In this design, the bearing seats installed at both ends of the ball screw are selected as the research object, and the forces exerted on the bearing seats are mainly distributed on the bearing holes, besides, there are radial pressure loads borne by the lower half of the bearing holes. Long time load will deform the bearing block, even damage it. in order to improve the overall performance of the structure, it is necessary to study the structure of the bearing block. This design uses the finite element analysis function of ABAQUS software, and uses ABAQUS software to carry out linear static analysis on the bearing seat, and observes the stress nephogram through the output results of finite element analysis of software. On the basis of the stress analysis of the bearing seat and the results of finite element analysis, find out the weak points of the bearing seat, change the structure of the bearing seat appropriately, find out at least two different optimization methods, and compare and analyze the data obtained from the optimized structure, and choose a better optimization way of the bearing seat. Keywords: bearing ；static analysis ；finite element ；ABAQUS 西安文理學院本科畢業論文（設計） III 目 錄 摘要 ................................ ................................ I I ABSTRACT ................................ ........................... II 第 第 1 1 章 緒論 ................................ ......................... 1 1 1.1 研究本課題的目地和意義 ......................................... 1 1.2 國內外的軸承座發展現狀 ......................................... 1 第 第 2 2 章 軸承座的選擇及結構分析 ................................ ....... 3 3 2.1 軸承座的選擇 ................................................... 3 2.2 軸承座的型號及參數 ............................................. 3 2.3 軸承座的受力分析 ............................................... 3 2.4 有限元單元法與 ABAQUS 簡介 ...................................... 5 2.4.1 有限單元法 ................................................. 5 2.4.2 ABAQUS 簡介 ................................................ 6 2.5 SOLIDWORKS 建模 ................................................ 6 2.6 ABAQUS 的使用 ................................................. 12 2.6.1 ABAQUS 使用環境 ........................................... 12 2.6.2 ABAQUS/CAE 功能模塊 ....................................... 13 2.7 ABAQUS 靜態分析 ............................................... 13 2.7.1 問題描述 .................................................. 14 2.7.2 創建模型 .................................................. 14 2.7.3 屬性設置 .................................................. 15 2.7.4 裝配 ...................................................... 15 2.7.5 設置分析步與輸出請求 ...................................... 16 2.7.6 定義載荷與邊界條件 ........................................ 16 2.7.7 劃分網格 .................................................. 19 2.7.8 運行分析 .................................................. 21 2.7.9 后處理 .................................................... 22 第 第 3 3 章 軸承座的優化及結構分析 ................................ ...... 25 3.1 加“加強筋” .................................................. 25 3.1.1 填加“加強筋” ............................................ 25 3.1.2 優化后的軸承座分析 ........................................ 26 3.2 凸臺之間的“支撐條” .......................................... 27 3.2.1 軸承座底座上面加“支撐條” ................................ 27 3.2.2 優化后的軸承座分析 ........................................ 28 3.3 結果分析與比較 ................................................ 29 3.3.1 與原軸承座的對比 .......................................... 29 3.3.2 兩種優化方式結果的比較 .................................... 31 第 第 4 4 章 總 結 ................................ ........................ 33 軸承座的結構分析及優化 IV 參考文獻 ................................ ........................... 35 致 謝 ................................ .............................. 37 附錄 A 英文文獻翻譯 ................................ ................ 39 西安文理學院本科畢業論文（設計） 1 第 第 1 章 緒論 1 1 .1 研究本課題的目地和意義 一直以來，人類文明不斷進步，工具的發展也從沒有停下過前進的腳步。尤其是進入 20 世紀以后,現代制造技術有了翻天覆地的變化，工藝自動化的發展也是一日千里。軸承座的應用廣泛，在各種加工設里來說是極其普遍的存在。從軸承座的作用來看，其主要是為軸承服務的，以固定自身方式來支撐軸承，以維持軸承運動。目前常見的設里用的軸承座已經基本實現了標準化, 一般在需要使用軸承及軸承座時只要直接取用就可以, 但在很多場合, 因為對軸承座有著不同的作用, 會需要非標軸承座, 對于軸承座生產家, 就是要盡力降低生產成本,提高產品的質量。因此要對機械制造和工藝優化等有必學的基礎理論知識要，而且學習和掌握計算機技術等多方面的新知識、新技術，運用全新的觀點來實現重新優化組合。 在本次軸承座的設計中主要針對結構進行分析，使用 ABAQUS 軟件進行仿真和分析。在對原來軸承座受力分析的基礎上，提出優化方案并對方形軸承座的結構進行有限元分析，終觀察應力云圖得出結論，驗證模型結構設計的合理性及安全性。 1. 2 國內外的軸承座發展現狀 軸承作為標準件，是全球互換產品，而軸承座作為軸承的親密伙伴，與其息息相關，在整個軸系中都有著舉足輕重的地位。軸承座一般位于軸的兩端，起到的主要作用是支撐和固定軸承，使軸承及其連接部件之間具有一定的位置關系。另外，軸承座一般都帶有密封裝置，從而可以起到減少軸承的污染的作用。經過許多年的發展，軸承產業在我國規模也越來越大。盡管目前我國軸承行業的發展規模已經很龐大，但絕大部分都是體現在低端水平，尤其高端軸承的制造領域，我國與發達國家相比仍存在巨大的鴻溝。就目前來看，我國雖然可以算得上是軸承大國，但距離軸承強國還是很遠。人們對中國軸承企業的印象是：總體規模大、企業多、價格低、質量一般、行業的生產主要集中低度、極其缺少高端產品軸承的研發能力、軸承行業制造技術水平太低等。1997 年世界軸承總產量超過 100 億套，而其中光是北美等發達國家就占了世界軸承產量的 78%，美國、日本、德國這 軸承座的結構分析及優化 2 三個發達國家早已創建了世界三大軸承市場。軸承的基本技術標志也早就成為了高轉速、長壽命、高可靠性、精度高、標準化、單元化。而且在軸承基礎技術進步方面、通用產品的結構改進層次方面、以及專用軸承單元化等方面成效極為有限。而軸承座與軸承是永遠沒法分開，一直都是息息相關,現如今常用軸承座已經標準化了，也在隨著軸承的發展在不斷的在進步。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 3 第 第 2 章 軸承座的選擇及結構分析 2 2 .1 軸承座的選擇 UCF軸承可以用于換熱器, 污水處理設, 變頻泵, 電動焊機, 工作臺,電鍍設,上光機,橡膠成型機, 制丸機, 塑料壓延機, 農機配件等機械設中。 本次設計選用的軸承座是安裝在臥式車床絲杠倆端的軸承座，絲杠的作用是帶動大拖板來做縱向移動，以此用來車削螺紋。常用的滾珠絲杠是精密機械上的傳動元件，它重要的功能就是將旋轉運動轉變為線性運動，也可以將扭矩轉換成軸向作用力。絲杠具有很小的摩擦阻力，絲杠是車床中主要精密件之一，因此不會使用絲杠來實現自動進給，方便長期保持絲杠的精度。 方形軸承座一般安裝都是在車床絲杠兩端的側壁上的，其結構簡單、安裝方式也很方便。端蓋屬于應用很廣的機械零件，同時也是軸承座的主要零件之一。 端蓋有著控制軸承外圈的軸向和軸承在工作過程中的防塵和密封的作用。 2 2 .2 軸承座的型號及參數 型號 UCF205 類型 方形軸承座 適用軸承 外球面球軸承 材質 鋼 軸承座總長 95mm 兩孔距 64mm 固定孔 12mm 軸徑 25mm 2 2 .3 軸承座的受力分析 軸承在當代所有的機械設中可以算得上是重要零部件之一，它的主要的功能是就是支撐旋轉體，還可以保證回轉精度。因此軸承座對于軸承的支持和保護作用就顯得尤其重要，而軸承座會因為軸承的轉動而受到一定的力，本設計來分析軸承座的受力情況。軸承通過絲杠的轉動而轉動，而軸承與軸承座 軸承座的結構分析及優化 4 共同作用在一點，又是過硬配合，所以以絲杠的受力情況為例，來分析運動時的受力情況。 滾珠絲杠轉動時，利用伺服電機拖動來使絲杠旋轉,軸承座及軸承安裝在絲杠兩端，用來固定絲杠。作旋轉運動時，直線運動會由旋轉運動轉化而成,并且通過運轉絲杠的螺母來給絲杠提供加載力。原理圖如下圖 2.1 所示。 圖 2.1 外力加載原理圖 1 伺服電機 2 頭架部件 3 加載絲杠 4 加載工作臺 5 被測工作臺 6 被測絲杠尾架支撐部件 7 加載絲杠尾架支撐部件 8 電渦流制動器阻尼組件 9 加載絲杠 10 被測絲杠 11 床身 通過絲杠將力施加在絲杠的螺母上的外力加載方式,在 F 推動下螺母向前運動時,螺母會受到關注載荷 F，如下圖 2.2 所示。 圖 2.2 工作載荷 F 推動運動示意圖 西安文理學院本科畢業論文（設計） 5 (1) 在沒有加載之前,兩個螺母都只受F 𝑃 的作用,產生軸向彈性變形量 F𝑃 ; (2) 當給螺母 2 施加軸向工作載荷 F 后,螺母 1 在工作載荷 F 的作用下,增加彈性變形量 𝐹 ,減少軸向變形量 𝐹 ,螺母 1 總變形量以及總軸向力分別為: 1 = 𝐹 + F𝑃 𝐹 1 = 𝐹 + F 𝑃 𝐹 螺母 2 總變形量和總的軸向力分別為: 2 = F𝑃 𝐹 𝐹 2 = F 𝑃 𝐹 𝐹 𝐹 螺母 2 產生的彈性恢復力 F軸向工作載荷 F 𝑃 預緊力 (3) 彈性變形量會在工作載荷F增大后 ,當軸向力為0時消失,但是螺母與滾珠一直會處于接觸的狀態。 軸承座安裝在絲杠兩端，并有四個固定螺釘固定在車床側壁上，在絲杠不運動時，軸承座受到絲杠平臺通過軸承傳遞給軸承座的重力，以及自身的重力。在絲杠運動時，絲杠上的刀架會工作消耗一部分的力，此時軸承座除了受到自身的重力以外，還會受到由絲杠轉動帶來的不定向力。其中不定向力包括徑向和軸向的力，其中，軸向力中有著軸向推力和軸向拉力。此外，軸承在轉動時，會消耗一部分的力，同時還存在著扭矩，這些力終會作用在軸承座上，通過軸承座的承受，使得整體保持平衡。 2.4 有限元單元法與 S ABAQUS 簡介 2.4.1 有限單元法 有限單元法，基礎是變分原理和加權余量法，使用有限單元法時，就是將計算域分為有限不重疊的單元來實現計算。有限元法的根本思想： 首先，將物體分散為有限不重疊但是可以通過節點相互連接的子域。后，在原基礎等效上的條件下，此過程稱為離散化。在劃分的單元中，選擇簡單的變微分原理，建立有限元方程，將微分方程轉化為方程組，后就可以借用計算機解答方程組，終得 軸承座的結構分析及優化 6 到近似解。 2.4.2 ABAQUS 簡介 (1)ABAQUS ABAQUS 是一種大型的結構和分析的有限元素法軟件。它專業性強，說明書中運用的案例都是一些適合基礎學習的實例。用戶可以通過建立模型輕松的解決一些很復雜的問題，基本的步驟就是可以先對部件先進行定義，再提供荷載和邊界條件就可以對模型進行分析，ABAQUS 仿真軟件還可以通過調節荷載增量步來提高分析結果的精度。 (2) ABAQUS 提供的分析類型 靜態應力/位移分析 ：包括線性，材料和幾何非線性，以及結構斷裂分析等。 動態分析粘彈性/粘塑性響應分析：粘塑性材料結構的響應分析。 熱傳導分析 ：傳導，輻射和對流的瞬態或穩態分析。 非線性動態應力/位移分析：可以模擬各種隨時間變化的大位移、接觸分析等。 疲勞分析 ：根據結構和材料的受載情況統計進行生存力分析和疲勞壽命預估。 設計靈敏度分析：對結構參數進行靈敏度分析并據此進行結構的優化設計。 (3) ABAQUS 分析步驟 ABAQUS 有限元分析過程的組成：前處理、分析計算、后處理。 1)前處理（ABAQUS/CAE） ABAQUS 的前處理過程也叫建模階段，建立與實際形狀一樣的模型來進行分析。首先要輸入模型的尺寸，在對材料屬性進行定義，接著定義荷載與邊界條件，后還要對模型進行網格劃分。模型建好后，CAE 能夠生成輸入文件，信息會通過 Job 模塊提交并進行分析。 2)分析計算（ABAQUS/Standard） 計算階段是完成有限元相關數值的計算，一般會用顯式分析求解器來進行計算，計算結束后，會將結果通過文件方式進行保存，方便進行后處理。 3)后處理（ABAQUS/CAE） 后處理階段的主要任務就是處理計算結果，通過顯示的方式得到直觀的應力云圖。 2.5 SS OLIDWORKS 建模 打開 solidworks 后，新建完成后開始建模。 通過凸臺拉伸命令將草繪視圖拉伸出來，如下圖 2.3 軸承座底座拉伸圖所示。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 7 圖 2.3 底座視圖 通過凸臺拉伸命令將草繪視圖拉伸出來，拉伸出軸承座上凸臺，如下圖 2.4 所示。 圖 2.4 軸承座上凸臺 通過凸臺拉伸命令將草繪視圖拉伸出來，拉伸出軸承座上凸臺，如下圖 2.5 所示。 軸承座的結構分析及優化 8 圖 2.5 上凸臺拉伸 通過拉伸切除命令將草繪視圖拉伸出來，將軸承座軸承孔切除出來，軸承座底座加強筋草繪視圖，如下圖 2.6 所示。 圖 2.6 軸承座底座加強筋 西安文理學院本科畢業論文（設計） 9 圖 2.7 拉伸切除中間固定孔 通過陣列將軸承座底座加強筋與固定孔繪制出來。如下圖 2.8 所示。 圖 2.8 四個安裝孔的繪制 軸承座的結構分析及優化 10 通過倒圓角命令，將軸承座底座倒圓角，結果如下圖 2.9 所示。 圖 2.9 倒圓角 通過旋轉命令，將軸承座邊緣弧度旋轉出來，結果如下圖 2.10 所示。 圖 2.10 軸承座邊緣弧 西安文理學院本科畢業論文（設計） 11 圖 2.11 軸承座 為了方便分析軸承座的情況，再建立一個軸承和軸，用來研究工作是軸承座的情況。如下圖 2.12 所示。 圖 2.12 用的軸承模型 軸承座的結構分析及優化 12 圖 2.13 用的軸模型 S 2.6 ABAQUS 的使用 2.6.1 ABAQUS 使用環境 ABAQUS 有完整的運行環境，其中 ABAQUS/CAE 就是實用的，在生成 ABAQUS模型、提交作業以及評估 ABAQUS 運行結果的時候，提供了一個簡單的界面。 （1）啟動 ABAQUS/CAE 啟動 ABAQUS/CAE 程序之后，出現登錄頁面。 創 建 模 型 : 開 始 新 的 分 析 過 程 。 用 戶 可 根 據 自 己 的 問 題 建 立Standard/Explicit 模型 打開數據庫:打開之前存儲的模型。 運行腳本:運行文件。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 13 (2) ABAQUS 的主窗口 圖 2.14 展現了主窗口的組成部分,用戶可以經由主窗口與 ABAOUS/CAE交互。 圖 2.14 主窗口的各個組成部分 2.6.2 ABAQUS/CAE 功能模塊 ABAQUS/CAE 由部件模塊、特性模塊、裝配模塊、分析步模塊、相互作用模塊、載荷模塊、網格模塊、分析作業模塊、后處理模塊、繪圖模塊這十個功能模塊組成。 S 2.7 ABAQUS 靜態分析 靜態結構分析是在載荷不變的作用下分析結構的效應的方法，它不考慮結構隨著時間的變化載荷的情況。所有的載荷被設置為慢慢運用，直到終達到完全量值是停止。而在達到完全量值后，受到的載荷大少保持不變（不會隨著時間變化而改變）。由于運用是設置的加速度和速度都非常小，甚至可忽略不計，因此在這種假設下回忽略慣性力和阻尼力。靜態分析主要是計算在載荷的作用下的軸承座的位移、應變和應力。 軸承座的結構分析及優化 14 2.7.1 問題描述 如圖 2.15 所示的方形軸承座，材料為鋼，采用國際單位制: 力(牛頓,N)、應力(兆帕,MPa)、長度(毫米,mm)，泊松比為 0.3。軸承座 UCF205 通過四個安裝孔進行固定，軸承設置為顯示體約束,選用靜態分析步,來分析軸承座在絲杠運動時的應力和位移狀態。 圖 2.15 方形軸承座 UCF205 2.7.2 創建模型 選擇文件中保存的軸承座三維模型，打開如圖 2.16。 圖 2.16 軸承座的模型 西安文理學院本科畢業論文（設計） 15 2.7.3 屬性設置 (1)單擊 按鈕,重新建立一個材料,并定義為“Material-1”。選擇材料行為中的“彈性”。 (2)單擊 按鈕,彈出 “創建截面”對話框。輸入截面名稱后 ,出現所顯示的“編輯截面”對線）在“編輯截面”對話框中選擇所包含的材料類型,完成截面的定義。 （4）在完成截面的定義后，點擊 按鈕，來為模型指派截面。在視圖區中拾取要指派的對象,完成拾取后,完成截面指派,以軸承座為例,部件應變為圖 2.17所示狀態。 圖 2.17 完成軸承座截面指派 2.7.4 裝配 （1）進入裝配模塊后,單擊 按鈕,選擇“New-1”，選擇“非獨里”,完成了軸承座的實例化，如圖 2.18 所示。 軸承座的結構分析及優化 16 圖 2.18 軸承座實例化 (2)參照上述介紹,完成軸瓦與軸的實例化,并定義位置關系，完成軸承座與軸瓦，軸瓦與軸的同軸約束。 2.7.5 設置分析步與輸出請求 （1）定義分析步 1)選擇分析步模塊 ,分析步類型選擇“靜力,通用”。 2)在“編輯分析步”對話框中選擇默認設置,完成分析步的定義。 （2）設置輸出變量 1)單擊 ,在 “編輯場輸出請求”對話框中可以看到 ABAQUS/CAE 已經自動生成了一個名為 f-output-1 的歷史輸出變量。 2)單擊“編輯”按鈕, 在彈出的“場輸出請求管理器”對話框,選擇需要輸出的變量為應力和應變,完成輸出變量的定義。 2.7.6 定義載荷與邊界條件 在環境欄的“模塊”(Module)施加壓力( pressure)與固定邊界條件中“載荷”(Load)功能模塊,本例需要對模型施加壓力（pressure）與固定邊界條件。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 17 軸承座對軸承會起到支撐作用,因此要在軸承受力地方加上徑向壓力載荷,本例為 150MPa。另外,軸承圓周上要承受軸瓦的推力載荷,該載荷也表示成壓力形式,本例為 10 MPa。 為了方便定義壓力載荷時面的選擇和以后的檢査,創建兩個施加壓力載荷的“表面”（surface）。在環境欄的模塊列表中選擇“部件”(Part)。因為“載荷”(Load)模塊是對裝配件進行操作,若在環境欄的“部件”(Par)列表中選擇“Base”,按住工具區中的(分割面 Fae)工具,在彈出的工具箱如 h 中選擇 2( Partition Face- Use Shortest Path Face)工具，選擇工具。 在視圖區里選擇軸承孔的圓柱面,點擊鼠標滾動鍵，再依次選擇圓柱面左側的兩個點,該圓柱面的分割就完成了。 載荷與邊界條件的定義： 1)點擊“工具(Tools)表面(Surface)創建(Create)”命令,彈出“創建表面”(Create Surface)對話框后,在“名稱”(Name)欄里輸入“surf-gravity”，繼續。 按住鍵盤上的〈Shift〉鍵后,在模型里選擇軸承孔的兩個圓柱面的下半部分,如下圖 2.19 所示。 圖 2.19 Surf-Gravity 表面 軸承座的結構分析及優化 18 2) 再次點擊“工具(Tools)表面(Surface)創建(Create)”命令,屏幕上彈出“創建表本樹面”(Create Surface)對話框后,在“名稱”欄內輸“Surf-Push按住鍵盤上的(Shift)鍵,在視圖區選擇軸承孔的圓環面,如圖 2.20 所示。 圖 2.20 Surf-Push 表面 3)定義軸承孔圓柱面的下半部分的徑向壓力載荷。 點擊提示區右側的“表面”(Surface),在 “區域選擇”對話框中選擇“Surf- Gravity”,在“大小”欄內輸入“50”,單擊“確定”按鈕。 （2）邊界條件 該軸承座通過4個安裝孔進行固定,邊界條件為固定約東這4個安裝孔的圓柱面和基座底面 首先創建施加邊界條件的面。 1)選擇“工具( Tools)集(Set)創建( Create)”命令,彈出“創建集合”對話框,在“名稱”(Name)欄內輸入“Set-BC”。按住鍵盤上的 Shift 鍵,在視圖區選擇 4 個安裝孔的 4 個圓柱面和基座底面,如圖 2.21。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 19 圖 2.21 創建 Set-BC 集 2)在“創建邊界條件”對話框，在“名稱”(Name)欄內輸入“BC- Fixed”,在“分析步”(Step)列表內選擇“Static”。點擊右側的“集”,然后在彈出的區域選擇對話框中選擇“Set-BC。 3)在彈出的“編輯邊界條件”對話框中,選擇后一項“完全固定”( ENCASTRE) ,完成固定邊界條件的施加單擊工具欄的品按鈕再次保存該模型。 2.7.7 劃分網格 在功能模塊選擇網格,點擊進入到網格功能模塊后,將窗口頂部的“環境”欄里的“目標”選項設置為“部件”選項。 單擊 “種子部件”( Seed Part)工具,會彈出“全局種子”( Global Seeds)對話框,在“近似全局尺寸”欄內輸入“3”，表示單元尺寸大約為 3mm,后單擊“確定”按鈕完成布種，如下圖 2.22 所示。 軸承座的結構分析及優化 20 圖 2.22 完成布種 2)單擊工具區中的“網格控制”,會彈出“網格控制屬性”對話框,由此可見無法對該部件劃分六面體單元。由于該模型結構較為簡單,分制模型不是很麻煩,考慮將模型進行分割,然后采用。 3)單擊工具區中的 (Partition Cell- Define Cutting Plane)工具,單擊提示區中的“三個點”按鈕,在視圖區中選擇基座上表面上的三個點,單擊鼠標中建,將該部件分割為兩個幾何元素。 在視圖區選擇上部的幾何元素 ,在視圖區中選擇支架前表面上的三個點,將該幾何元素分割為三個幾何元素繼續選擇包含軸瓦支架的分區, ,在視圖區中選擇施加推力載荷 press-push 的軸承孔圓周面上的三個點,將該幾何元素分為兩個集合元素。 至此,軸承座的部件被分割為 5 個幾何元素, 4)單擊 按鈕, 在視圖區中框選出整個模型 ,選擇“技術”為“自底向上”。 5)單擊 按鈕, 并選擇整個軸承座模型，默認的選擇是二次六面體減縮積分單單元(C3D20R),取消對“單元控制”( Element Controls)欄內“縮減積分”( Reduced integration)的選擇,選擇二次六面體完全積分單元 C3D20。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 21 6）單擊工具區中的 （為部件劃分網格，Mesh Part）工具，完成網格劃分如圖 2.23 所示，信息區顯示單元已創建到部件：Base。 圖 2.23 劃分網格 2.7.8 運行分析 選擇“作業”(Job)模塊。 1)創建分析作業。 2)進行數據檢查 回到“作業管理器”,單擊“數據檢查”,提交數據檢查。數據檢查完成后,管理器中的“狀態”( Status)欄顯示為“檢查已提交”( Completed)。 3) 提交分析作業 提交分析，完成分析后,管理器中的“狀態”欄顯示為“已完成”( Completed)。 信息區顯示: 作業輸入文件 “”已提交分析。 后進行模型的保存。 軸承座的結構分析及優化 22 2.7.9 后處理 （1）進入“可視化功能模塊。 選擇“選項(Options)顯示(Display Body Options)”命令,彈出的“顯示體”選項對話框。在“基本信息”(Basic)選項卡選擇“無”(No edges);在“其它”(Oher)選項卡內選擇“半透明”(Translucency)頁面,選擇“應用透明”(Apply translucency)復選框,調節透明-不透明(transparent-opaque)滑動條到“0.6”。 （2）顯示應力云圖 執行“繪圖”“云圖”命令，視圖區會繪制出部件受載后的 Mises 應力云圖，如下圖 2.24（a）(f)所示。 圖 2.24 Mises 應力云圖分布 （a）彈性應變分布（正面） （b 彈性應變分布（內部） 西安文理學院本科畢業論文（設計） 23 （c）應力云圖分布 （d）應力云圖分布（內部） （e）應力云圖分布(內壁) （f）應力云圖分布（底座底部） 通過觀察圖（a） （b）的彈性應力分布圖可以看出，軸承座是安裝在側壁上的，底座底面在側壁，此時應力集中主要表現在安裝下部邊緣，應力極值為 5.81MPa,應力體現在與軸承孔接觸的內壁上，表明了在工作時是，軸承座受到的載荷力。圖（c）-(f)展示的是應力云圖的分布，從不同的角度來觀察軸承座的受力情況。應力極值為 2.03MPa,應力集中在底部兩個安裝孔的上邊緣，以及軸承座的內壁，這些部件主要受到絲杠轉動時帶來的軸向載荷和軸承轉動時帶來的部分徑向載荷，在這些力的作用下，軸承座會發生形變。因此在優化軸承座的結構時，需要對軸承座的安裝面的下半部分的結構穩定性及強度進行加強，以增加軸承座的整體性及剛度。 軸承座的結構分析及優化 24 西安文理學院本科畢業論文（設計） 25 第 第 3 章 軸承座的優化及結構分析 通過觀察軸承座的應力云圖可以看出，在絲杠做運動時，軸承孔的下半部分會承受徑向壓力載荷，出現了應力集中的現象。如果長時間的工作，會使軸承座下半部分邊緣出現裂縫，甚至是軸承座損壞，進而影響到軸承的工作，影響絲杠的轉動。在長時間的載荷壓力下，會大大的縮短軸承座的使用壽命。而且頻繁的更換軸承座，不僅增大成本，還會影響生產效率，從而引起一系列的問題。針對軸承座可能出現的這種情況，需要通過對軸承座的結構的改變來實現優化，來加強軸承座自身的性能。下面將根據軸承座的這種受力情況，來設計不同的優化方案，并對優化后的結構進行分析與比較。 3.1 加“加強筋” 3.1.1 填加“加強筋” 在絲杠做運動時，軸承孔的下半部分會承受徑向壓力載荷，因此要加強軸承座安裝位置的下半部分的結構，需要對軸承座下半部分的穩定性和強度進行加強。因此終選擇在軸承座的下半部分加上加強筋，在加強筋的作用下，不僅可以提高軸承座自身的強度，還可以在一定程度上加強軸承座在安裝位置的穩定性。 加強筋，也叫加強肋，加強筋并不一定是軸承座全部的長度或高度，它主要出現在倆個互相垂直的面之間，來實現局部剛性的增強。 加強筋的作用： 1、在軸承座壁厚不加厚的條件下，加強筋可以實現增強部件的強度和剛性，以節約材料用量，降低成本。 2、克服因為結構分布所帶來的應力不均而造成的扭曲變形。 在加了加強筋后的軸承座的如下圖 3.1 所示。 軸承座的結構分析及優化 26 圖 3.1 裝有“加強筋”的軸承座 3.1.2 優化后的軸承座分析 選擇裝有加強筋的軸承座，對進行過結構優化的軸承座在次進行有限元分析，分析的步驟與之前相同。分析的結果，如下圖 3.2 所示。 （a）彈性正面應力分布 (b) 彈性內壁應力分布 西安文理學院本科畢業論文（設計） 27 （c）彈性內部應力分布 (d) 應力云圖分布 （e）小應力云圖分布 （f）內壁應力分布云圖 圖 3.2 優化后軸承座的應力云圖 通過觀察云圖，可以看出軸承座的彈性應變應力極值為 5.31MPa,圖（d）-(f)展示的是應變應力云圖的分布，從不同的角度來觀察軸承座的受力情況.可以看出，應力極值為 1.73MPa。 3.2 凸臺之間的“支撐條” 3.2.1 軸承座底座上面加“支撐條” 在絲杠做運動時，軸承孔的下半部分會承受徑向壓力載荷，因此要加強軸承座安裝位置的下半部分的結構，需要對軸承座下半部分的穩定性和強度進行加強。 根據這個情況，在軸承座底座的上面加上支撐條，這個支撐條的位置位于每兩個凸臺之間，距離定為在中間，這樣的結構可以在軸承座受到重力以及軸向載荷的時候，為軸承座分擔一部分的力。由于軸承座是軸對稱的形狀，所以在下半部分都受力的情況下，至少需要為軸承座底座的三個方向都加上 軸承座的結構分析及優化 28 這樣的支撐條。而且為了軸承座的結構的完整，在絲杠不作運動時軸承座的受力均勻，在四個凸臺兩兩之間都加上這樣的支撐條。 同時，從對原軸承座的分析可以看出，軸承座下半部分的邊緣也有應力集中的現象，因此可以在加了支撐條的條件下，對軸承座上端口的邊緣進行加厚，來提供更高的強度。從理論上來說，支撐條和加厚的邊緣這兩種結構的改變，會使軸承座的剛度得到不錯的提高，但是軸承座的重量會增加，可能會影響優化的結果。 加了支撐條的軸承座的三維模型如下圖 3.3 所示。 圖 3.3 裝“支撐條”的軸承座 3.2.2 優化后的軸承座分析 選擇裝有支撐條的軸承座，對進行過結構優化的軸承座在次進行有限元分析，分析的步驟與之前相同。分析的結果，如下圖 3.4 所示。 西安文理學院本科畢業論文（設計） 29 （a）彈性正面應力分布 （b）小應力云圖分布 （c）內壁應力分布云 (d) 應力云圖分布 圖 3.4 Mises 云圖分布 通過觀察云圖，從不同的角度來觀察軸承座的受力情況.可以看出，應力極值為 1.98MPa。 3.3 結果分析與比較 本設計利用 ABAQUS 仿真軟件對軸承座進行有限元分析，結構分析是有限元分析方法中常用的，在這里運用的是線性靜態分析。線性靜態結構分析是在載荷不變的作用下分析結構的效應的方法，它不考慮結構隨著時間的變化載荷的情況。 3.3.1 與原軸承座的對比 軸承座安裝在絲杠兩端，并有四個固定螺釘固定在車床側壁上，不考慮隨著絲杠的工作和軸承的轉動時引起的位移情況，只考慮軸承座的受力。通過 ABAQUS的分析，軸承座的應力集中點可以用云圖來顯示出來，通過觀察云圖，可以很清 軸承座的結構分析及優化 30 楚了解軸承座的受力情況。 原軸承座的分析數據如下圖 3.5 所示。 圖 3.5 Principal 與 Mises 數據圖 優化后軸承座的分析數據如下圖 3.6 所示。 圖 3.6 優化后軸承座的 Principal 與 Mises 數據圖 對比優化前與加了加強筋的軸承座的 Principal 與 Mises 數據，可以看出， 西安文理學院本科畢業論文（設計） 31 軸承座的主應力由 5.81MPa 降低到了 5.31MPa,而等效應力由 2.03 MPa 降低到了 1.73 MPa。由此可見，在軸承座加了加強筋后，軸承座的下半部分的應力集中現象有了一定程度的緩解，這樣軸承座受到的載荷也會降低，同時也使得軸承座的穩定性比優化前有了提高。加強筋的作用就是在不加大軸承座的厚度的條件下，提高軸承座的強度和剛性，提高穩定性，使軸承座的變形變的更小。 對比加了支撐條的軸承座，可以看出，軸承座的應力集中區域顏色明顯減了，受到的應力在支撐條的作用下，被分散在整個下部，對軸承座的整體穩定性有一定的作用。而且加了支撐條后，使的四個安裝孔的邊緣的應力集中現象與減少了，邊緣加厚使得軸承座結構更加穩定。 3.3.2 兩種優化方式結果的比較 從總體來說，兩種優化方式都實現了對軸承座的優化，通過改變結構來改變軸承座的受力情況，但是也有各自的缺陷。通過觀察優化后的分析得出的應力云圖，以及從兩種優化方式的方式來比較。 從結構上來說，裝填加強筋的方法結構簡單，便于加工，而且由于體積小，不會對原來軸承座的質量改變太多，但是加支撐條的優化方式，會使軸承座的重量增加，從而使受力增加，而且也增大了軸承座加工的難度；從優化結果來看，兩種優化方式都可以實現使軸承座的受力減少，但通過后的分析數據可以看出，種優化方式顯然更勝一籌。添加支撐條的方法太過于注重分散軸承座的受力，導致造成軸承座質量改變太大，結構改變太過復雜，不適合廣泛使用。而加加強筋的方式，由于方法簡單，且在幾乎不改變重量的情況下，就可以達到優化的目的，所以這種加加強筋的優化方式更好。 現在工業還在飛速發展的時代，對各種能源和資源的消耗是難以量計的，在開始推出可持續發展戰略的路線后，一切都在向高質量、低消耗的方向前進。因此，對于一些東西的優化就顯得很重要了，在優化后，不僅可以提高其使用價值，提高生產效率，還可以延長使用壽命，減少資源消耗，對于持續發展意義重大。 軸承座的結構分析及優化 32 西安文理學院本科畢業論文（設計） 33 第 第 4 章 總結 通過本次畢業課題設計，我對 ABAQUS 仿真軟件有了更深入的了解，學會了利用這個功能強大的軟件分析一些基礎的零件。本設計使我能夠將理論與分析相結合，在很多方面體驗更多的理論知識。在我畢業設計老師的指導和幫助下，很大的提升了我的工作效率，增強了自主思考和獨立動手解決問題的能力，更加培養了我的實踐能力。 從畢業設計開題準階段開始，我就有意識地鍛煉自己獨立思考，發現問題和解決問題的能力。遇到問題自己先想辦法解決，把自己經過努力還不能解決的疑難問題匯總再請教老師或同學。在整個設計過程中，除了獲得設計所需的數據與相關知識之外，我還學到了很多其他的知識。更重要的是鍛煉自學能力和運用參考書來解決實際問題的能力。我相信這些能力會使我在我未來的工作和生活中起到至關重要的作用，使我一生受益匪淺。 我覺得本次設計不僅僅是一次大學四年所學知識的匯總，還是一次我們邁向社會，邁向人生下一階段的過渡事件，他讓我們在自己動手解決問題的同時，更加加深了我們對我們本行業的認知，這對我們今后的職業規劃，人生選擇都有這深遠的影響。 軸承座的結構分析及優化 34 西安文理學院本科畢業論文（設計） 35 參考文獻 [1]王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京:清華大學出版社,1997 [2]石亦平,周玉蓉著,ABAQUS 有限元分析實例詳解[M].機械工業出版社,2006 [3]程社聯，楊中平，馮戰勤.有限元法在機械設計中的應用[A].楊凌職業技術學院報，2009.8（3）： [4]曾林.4V-105 柴油機連桿有限元分析與優化設計[D].湖南大學 2008 [5]劉玉蘭,孫瀾濤.滾動軸承載荷分析[J].山東建材學院學報.1999(02) [6]王琛,郁舒蘭,李泉.基于 ABAQUS 的金屬家具椅背沖擊仿真分析[J].家具與室內裝飾. 2015(08) [7]侯曉望.基于有限元分析的液壓機結構優化[D].浙江大學 2005 [8]劉玉蘭,孫瀾濤.滾動軸承載荷分析[J].山東建材學院學報.1999(02) [9]肖健利.工作軋輥軸承座和滾柱軸承裝置的有限元分析[J].山西冶金.1994(01) [10]孫建民,徐冰晶.有限元及其在現代機械工程中的運用[J].科技與企業.2015(12) [11]劉展,ABAQUS 6.6 基礎教程與實例詳解[M].中國水利水電出版社,2008 [12]石亦平,周玉蓉著,ABAQUS 有限元分析實例詳解[M].機械工業出版社,2006 [13]胡仁喜,郭軍,王仁廣,SolidWorks 2005 中文版機械設計高級應用實例[M].機械工業出版社,2005 [14]鄧書彬,馬朝平,胡建軍,陳亞茹.基于 ABAQUS 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Welding Based on ABAQUS Environment: Challenges and Perspectives Wenya Li, Feifan Wang, Shanxiang Shi, and Tiejun Ma (Submitted April 10, 2012; in revised form July 5, 2013; published online November 14, 2013) In order to investigate the complicated thermomechanically coupled process of linear friction welding (LFW), three different numerical methods were developed using the ABAQUS software. LFW steel and Ti-6Al-4V were calculated by using a 2D model with the explicit and implicit methods, respectively, and the calculated results were validated by experiments. In addition, a 3D model for LFW Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo- 4Cr was fi rstly acquired by using the newly developed explicit-implicit alternate method and the calculated fl ash seemed more like the real one. Furthermore, a few open questions and perspectives in LFW modeling are discussed and concluded. Keywords ： ： linear friction welding, map solution, numerical simulation, thermos mechanically coupled model 1. Introduction Linear friction welding (LFW) is a solid state welding process, in which the workpieces are joined together with the help of the normal pressure and the frictional heat generated from the linear reciprocating movement of one component relative to the other under certain amplitude and frequency of oscillation. Compared to other welding techniques, LFW has four distinct phases (Ref 1) which include the initial phase, transition phase, equilibrium phase, and deceleration (or forging) phase. LFW has been applied to non-round or complex geometry components, such as aircraft engine blades to discs (blisks). However, as a relatively new, with very few research centers equipped for it worldwide but promising welding technique, LFW still requires further investigation. These studies may be diff i cult to study merely by experiments, as for example, the complex and dynamic thermos mechanically coupled process directly inf l uences the plastic fl ow of metal and the metallurgical behavior of joint during the welding process. With the development of numerical techniques that can use the computer technology available today, the fi nite element method has become a powerful and reliable tool for the prediction of temperature and stress fi elds within the welded parts. In this context, the fi nite element method was used to model the LFW process in association with experiments. Vairis and Frost (Ref 2) established a numerical model taking the nonlinear material behavior and complex boundary condi- tions into account. Additionally, they analyzed the thermome-chanically coupled relationship and obtained the temperature rise of the initial stage of LFW. Tao et al. (Ref 3) studied the heating and cooling processes of LFW Ti-6Al-4V (Ti64) through 軸承座的結構分析及優化 40 a thermomechanically coupled model based on the DEFORM software. They found that the highest temperature of about 1340 C appeared at the centre of the welding interface, which is verif i ed in experiments. Moreover, Ceretti et al. (Ref 4) built a 2D model for LFW AISI1045 steel by the DEFORM software. Results showed that the maximum temperature of the joint is about 900 C. In our previo...
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