基于INVENTOR和ANSYS的重型滾筒軸承座有限元分析

摘要 ： 運用三維設計軟件Inventor，建立輸送機重型滾筒軸承座三維模型，利用Inventor中ANSYS有限元分析模塊，通過對軸承座進行強度和變形分析，得到應力分布圖、位移信息，找到軸承座應力最大區域。通過對軸承座的有限元分析，為滾筒軸承座優化設計提供理論依據。

關鍵詞 ：Inventor ANSYS 重型滾筒 軸承座 有限元分析

1.引言

軸承座作為滾筒的重要組成部分，主要是用來支撐滾筒軸和載荷的傳遞，這就要求軸承座必須具備良好的力學性能和制造工藝的經濟性。近年來，由于輸送機行業的飛速發展，與之相應的非標重型滾筒軸承座的種類越來越多，結構越來越復雜，在使用過程中對強度和剛度要求越來越高。本文的主要任務是對重型滾筒軸承座進行應力分析和剛度分析，通過對軸承座的應力分析，得到相應的應力分布圖，并且找到軸承座應力最薄弱的區域，從而對軸承座優化設計提供參考依據。

目前國內做有限元分析主要是運用ANSYS軟件，Autodesk Inventor Professional軟件提供的有限元分析模塊式調用了ANSYS軟件的網格劃分和數字計算的內核技術。這個集成在Inventor中的有限元分析模塊（Stress Analysis），可以在機械零件、鋼結構或者鈑金環境中使用，添加工況、計算應力應變、估算安全系數和頻率特性等。

2.軸承座有限元模型的建立

軸承座是一種輸送機行業常用的系列化產品，標準軸承座有標準圖紙，而非標準的重型軸承座需要重新設計。應用Inventor軟件，采用參數化建模，模型具有可變性，可以重復使用。根據不同的載荷，改動下模型就能生成系列化產品，實現模塊化設計，提高設計工作效率。基于這種設計思想，結合Inventor軟件強大的建模功能，來建立軸承座的三維模型。另外還可以利用Inventor軟件的渲染功能對軸承座模型進行色彩、材質、紋理等處理，增強模型的真實感。

本案例選用軸承座為左右對稱結構，質量g=810kg，軸承內徑為400mm，采用鑄鐵結構。根據案例要求，軸承座承受最大的徑向合力Fr/2=700KN， 最終建立的數字模型如圖1所示。

3.軸承座有限元分析

軸承座有限元模型建立后，點擊應用程序菜單下的應力分析選項，之后將切換到“應力分析工具面板”，應力分析工具會自動添加到標準工具欄（一些無關的工具欄項目將自動撤出），同時還將顯示應力分析瀏覽器。然后按照下述5個步驟逐一進行。

3.1.材料選擇

在Inventor應力分析模塊中設有常用材料庫，在材料選擇中選擇與實際應用材料力學性能相同或相近的材料即可。確認好材料種類，如果需要調整，雙擊材料選項，展開材料列表選擇需要的材料，在本例中選擇了鐵（鑄造），質量密度：7.25 g/cm^3；屈服強度：200 MPa；極限拉伸強度：276 MPa；楊氏模量：120.5 GPa；泊松比：0.3 ul；切變模量：46.4 GPa。

3.2.施加約束

點擊“應力分析”工具面板上的“固定約束”按鈕，然后再在模型上選定添加此約束的面。根據軸承座的實際安裝方式，軸承座是由四個螺栓固定在支架上的，所以，底面需要施加Z 方向的面約束，在4個螺栓孔位置分別施加X 、Y 方向的面約束，以此約束軸承座的水平和豎直方向位移。施加約束后的效果，如圖2。

3.3.施加載荷

根據本案實際使用情況和初始條件，軸承座承受的載荷有三種，一是軸承座自重g=8.1KN，由于軸承座自重遠小于外加力，可以忽略不計，二是滾筒重量G/2=60KN，三是滾筒所受合力Fr/2=700KN。除軸承座自重外，其余的力都是通過軸承傳遞作用在軸承座上的。軸承載荷不像普通力載荷一樣均勻分布，而是采用拋物線式載荷分布，這種載荷只能添加到圓柱面上，而力的分布狀態符合孔銷傳力的規則。

點擊“應力分析”工具面板上的 “軸承載荷”（Bearing load）按鈕，然后再在模型上選定要添加此外力的面（本案是軸承座大孔的內表面）。施加載荷后的效果，如圖3。

3.4.網格設置

Inventor 提供了允許網格自定義的命令，因而能夠控制方案的質量和效率。這些命令可控制網格的全局設置和本地設置。網格設置應用于您選擇的特定面和邊。網格優化允許改變網格大小以便簡捷地覆蓋特定特征。查看網格是將網格設置應用于視圖中的零部件，并產生圖形化的網格表達。預覽網格的步驟是：在功能區上，單擊 “應力分析”選項卡 “網格”面板 “查看網格”。網格效果圖，如圖4。

3.5.分析求解

在完整加載了分析所需要的條件之后，即可投入分析計算。在工具面板上點擊“應力分析”按鈕，即可啟動分析計算功能，并按前邊設置的參數和選定的方案進行計算處理。

進行過程中，將顯示“ANSYS 方案狀態”提示框，并實時顯示處理的進度和內容，計算完成后，會將顯示出結果的圖形報告。Inventor提供了等效應力、最大應力、最小應力、位移、安全系數等報告結果。本文選取了典型的等效應力和位移的結果表達圖。計算結果如圖4、圖5。

從圖4等效應力圖可以看出，軸承座的最大應力值為12.49MPa，位置在筋板和內孔結合處，遠小于屈服強度200 MPa，滿足強度要求，為了減少應力集中，本文建議適當增加該區域過渡圓角半徑，并進行鑄造退火處理，最大程度減少殘余應力。從圖5位移圖可以看出，軸承座整體位移比較均勻，最大位移為0.01807mm，滿足剛度要求，小于許用位移0.2mm，均在合理范圍內。綜合分析，軸承座應力分布比較均勻，強度和剛度滿足最初設計要求，且在結構上還可以繼續優化。

總結：

本文利用Inventor軟件建立了某種滾筒軸承座的三維幾何模型，利用其中的有限元分析模塊（Stress Analysis），證明了軸承座設計的合理性。而且應力分析結果表明，軸承座應力較為均勻，具有良好的力學特性。通過利用有限元分析，可以縮短設計周期，節約設計成本，為軸承座的優化設計提供了充分的理論依據。

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