结构支座 的有限元分析

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引言   

       结构支座作为多向活动部件的连接装置，主要受来自复杂部件的载荷的作用力，由于载荷力复杂多变，且局部应力集中的现象存在，导致接触面产生不规则的破坏。以前的设计方案基本是粗略的，对于结构尺寸不能做到很精确的设计，使用效果并不理想。本文利用Pro/E三维设计软件对结构支座进行参数化建模，将 Pro/E建立的三维模型转化为.igs格式文件，然后导入到ANSYS中，对其进行网格划分，以得到结构支座的有限元模型。有限元分析方法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值的分析方法，ANSYS程序中加入了许多新的技术，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入程序，从而使程序具有更强的通用性。同时，ANSYS还提供了强大和完整的联机说明系统详尽的联机帮助系统，使用户能够不断深入学习并完成一些深入的课题。并因在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用。本文将分析在载荷的作用下，支座的变形、应力以及模态分析等，并显示强大的ANSYS的求解结果。



1、结构支座有限元模型的建立
   1.1    结构支座三维模型的建立

使用Pro/E Wildfire 4.0建模，建模后保存.igs格式副本文件存盘，这种格式几乎是所有CAD软件都可以识别的，再将建立模型导入到ANSYS中。用Pro/E建立的结构支座模型，如图一所示。   

为了方便计算机进行模拟分析，把模型进行了简化，忽略一些小圆角或者是小圆孔，不影响模型的主形体。

1.2    导入三维模型

本文分析目标为结构支座模型，模型采用Pro/E三维模型导入ANSYS中。导入后模型如图二所示。

1.3    建立有限元模型

定义单元类型为Solid 10node 92,材料为Q235,弹性模量E=200Gpa,泊松比为0.3，并对其进行网格划分，定义网格尺寸为15。得到如图三所示的有限元模型。

1.4    载荷与边界约束

结构支座所受均布载荷在φ150圆孔下半圆柱面法线方向，均布载荷大小为q=20kN/m2,

位置约束为其底座孔，对其进行固定约束。

(1) 约束四个安装孔:

Main Menu:Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement→Symmetry B.C.→On Areas+ 拾取四个安装孔的8个圆柱面→ OK

(2)在整个基座的底部施加位移约束(UY=0):

Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement →on Lines +  

拾取基座底部的所有边线，选择 UY 作为约束自由度→OK。

（3）在φ150圆孔的的下半圆柱面施加法向均布载荷：

Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Pressure→On Areas→拾取球形接触面→Apply→输入压力值20000→OK。

2、结构支座的刚度、强度分析

2.1    求解结构支座的变形

有限元模型建立后，进行了材料参数的设定以及载荷的施加，则可以得出结构支座的变形。如图四所示。

2.2    结构支座的Von Mise等效应力图

Von Mise等效应力图：

Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu

选择Von Mise Stress,则可以得出Von Mise等效应力图。如图五所示。

2.3    结构支座的最大应力和最大位移

由以上求出的结构支座变形图和Von Mise应力图可知，最大应力集中在肋与底座的接触地方。所以在设计的时候，此次要注意合适的结构类型。

3、结构支座的模态分析

3.1    模态分析的内容、应用及意义

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：

1) 评价现有结构系统的动态特性；

2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；

3) 诊断及预报结构系统的故障；

4) 控制结构的辐射噪声；

5) 识别结构系统的载荷。

模态分析是用于确定部件和组装件的固定频率，是动力学分析的起点，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特征的优化设计提供依据。模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。

3.2    前五阶固有频率

在进行模态分析时，使用Block Lanczons法，模态数量设置为5，扩展模态也设定为5，再进行求解，可以查看结果。列出固有频率，如图六所示。

3.3    前五阶模态振型图

显示各阶频率振型图：

Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu,选择Nodal Solution→DOF Solution→Displace vector sum,就可以显示振型图，如图七所示为前五阶模态的振型图。

4、总结

本文通过Pro/E软件建立结构支座的三维模型，保存为.igs文件将三维模型导入到ANSYS中，在ANSYS中对其进行强度和刚度的校核及模态分析。从图中可看出，载荷主要集中在结构支座的底座与肋连接处，所以要对该处进行载荷保护，可通过变换材料，热处理等方法加强该处强度。ANSYS的分析，为以后的的结构支座结构强度分析节省了时间，验证方案的可行性，为结构支座的进一步优化提供了依据。

来源：CAE技术联盟

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