实体结构分析：Ansys实战应用

建立如图所示轴承座的实体结构（三维模型），并对其进行ANSYS的应力应变分析。已知下方基座的4个圆柱孔（孔径D=0.75mm），支撑小圆柱孔的下表面承受25MPa的重力载荷，支撑台阶面上承受4MPa的推力载荷，材料的弹性模量为2.1e11Pa，泊松比为0.3。

打开软件，开始 -> ANSYS 17.0 -> Mechanical APDL 17.0。

#1初始设置

1.1设置工作路径

Utility Menu中，File -> Change Directory …，在“浏览文件夹”对话框中选择想要存放该工作的文件夹，然后确定。

1.2设置工作文件名

Utility Menu中，File -> Change Jobname …，在“Change Jobname”对话框中更改该工作的名字为“bearingBlock”，后OK确定。

1.3设置工作标题

Utility Menu中，File -> Change Title …，在“Change Title”对话框中输入标题“Analysis of a bearing block”，OK确定。

1.4设定分析模块

Main Menu中，点开Preferences，勾选Structural，OK确认。

#2前处理

2.1单位定义

ANSYS Mechanical APDL中无需指定单位，只需要保证物理量量纲统一即可。

2.2定义单元类型

Main Menu中，Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete，

在Element Types对话框中点击Add…，

在Library of Element Types对话框中选择单元类型为Solid，Brick中的20 node 186，然后OK，关闭Library of Element Types对话框。

2.3定义材料属性

Main Menu中，Preprocessor -> Material Props -> Material Models，

在打开的Define Material Model Behavior窗口中，选择Structural -> Linera -> Elastic -> Isotropic，

在打开的对话框中的EX输入弹性模量为2e11，单位为Pa，PRXY为泊松比，指定为0.3，OK确认。

选择Structural -> Density，输入密度为1930，单位是k g/m³_，OK确认。

2.4创建模型

原模型为对称结构，故只要创建一半模型即可。

#2.4.1 创建基座

• 创建长方体结构

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Block -> By Dimensions，

输入 (X1,X2)=(0,0.003)，(Y1,Y2)=(0,0.001)，(Z1,Z2)=(0,0.003)。

工具条右上方Isometric View查看正等轴侧三维视图

• 创建工作平面坐标系

Utility Menu -> Work Plane -> Offset WP by Increments，

在X,Y,Z Offsets中输入0.00225,0.00125,0.00075，

在XY,YZ,ZX Angles中输入0,-90,0，

OK。即完成了平移加旋转的坐标系移动创建。

• 创建圆孔

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Cylinder -> Solid Cylinder，

WP X、WP Y、Radius、Depth中分别输入0、0、0.00075/2、-0.0015，OK。

• 复制圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Copy -> Volumes，

单击选中圆柱体，Apply，

在Copy Volumes对话框中输入圆柱距工作坐标系WP原点的绝对坐标值

(DX DY DX) = (0,0,0.0015)，完成复制。

• 布尔运算从长方体中减去两个圆柱体

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Substract -> Volumes，

选择长方体，Apply；再选择两个圆柱体作为减去部分，OK。

注：如果鼠标选择较难的话，可以直接在框中输入Volume的编号，即1减去2,3即可。

#2.4.2 重设工作平面坐标系

• 重设工作平面坐标系

Utility Menu -> WorkPlane -> Align WP with -> Global Cartesian。

• 创建支撑下半部分的立方体

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Blocks -> By 2 corners & z

#2.4.3 创建支撑上半部分（1/4圆柱体）

• 将WP移至圆心处

Utility Menu -> WorkPlane -> Offset WP to -> Keypoints，

拾取支撑前表面的左上角，OK。

• 创建1/4实心圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Cylinder -> Partial Cylinder，

WP X、WP Y、Rad-1、Theta-1、Rad-2、Theta-2、Depth中分别输入0、0、0、0、0.0015、90、-0.00075，OK。

• 创建实心圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Cylinder -> Solid Cylinder，

WP X、WP Y、Radius、Depth中分别输入0、0、0.001、-0.0001875，OK。

• 减去实心圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Substract -> Volumes，

选择1/4圆柱和凸台部分，作为被减部分，Apply；再选择大圆柱体作为减去部分，OK。

• 再创建实心圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Volumes -> Cylinder -> Solid Cylinder，

WP X、WP Y、Radius、Depth中分别输入0、0、0.00085、-0.002，OK。

• 减去实心圆柱

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Substract -> Volumes，

选择1/4圆柱和凸台部分，作为被减部分，Apply；再选择刚刚新建的圆柱体作为减去部分，OK。

#2.4.4 创建三角形支撑部分

• 在底座上表面创建关键点

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Keypoints -> KP between KPs，

底座处沿着上角依次选择俩点，Apply，

KBETween Options中设置RATI选项，Value输入0.5，OK，

创建好了关键点。

• 生成三角形面

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Create -> Areas -> Arbitrary -> Through KPs，

依次选择三个点，刚才创建的点，三角面支撑下部点，三角面支撑上部点，OK。

• 生成三棱体

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Extrude -> Areas -> Along Normal，

选择三角面，OK，

     DIST中输入-0.00015，OK，生成三角支撑体。

#2.4.5 生成整个模型

• 组合体（将部分粘和为一个整体）

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Glue -> Volumes，

Pick All即可。

再点下Isometric Vies即可看到粘好的模型了。

• 镜像模型

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Reflect -> Volumes，

Pick All，选择Y-Z Plane，OK。

• 合并整个模型

Main Menu -> Preprocessor -> Modeling -> Operate -> Booleans -> Add -> Volumes，

Pick All即可。

2.5划分单元

Main Menu中，Preprocessor -> Meshing -> MeshTool，

在弹出的MeshTool对话框中，先确定网格尺度，点击Size Controls组类中Global后面的Set，

在弹出的Global Element Sizes对话框中，Size Element edge length输入0.0003，OK确定。

Main Menu中，Preprocessor -> Meshing -> MeshTool，

在MeshTool对话框中，保持Mesh：中下拉选项为Areas，保持Shape中的Tet，选择划分类型为Free，点击最下方的Mesh，在弹出的Mesh Volumes点选框中，Pick All。

即可完成网格划分。

#3初始设置

3.1设置分析类型

Main Menu中，Solution -> Analysis Type -> New Analysis，保持默认的Static静态分析，OK。

3.2施加约束（施加边界条件）

Main Menu中，Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Displacement -> On Areas，

在弹出的Apply U,ROT on Areas选择框中，用鼠标在图形窗口中基座的底面（A8和A20）， OK，

在弹出的Apply U,ROT on Areas对话框中，DOFs to be constrained（限定自由度）选项中，选中UY，即限制底面上节点在Y方向的位移，OK确定。

注意：如果鼠标比较难选的话，可以让窗口只显示面，并且把面标号显示出来，直接在拾取窗口中输入面的编号即可！

Main Menu -> Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Displacement -> Symmetry B.C. -> On Areas，

拾取4个圆柱孔的表面（即A15、A16、A17、A18、A54、A56、A59、A60共8个面），OK。

将圆柱孔定义为对称边界，相当于约束了轴向的移动。

3.3施加载荷

先施加重力载荷，

Main Menu -> Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Pressure -> On Areas，

选择支撑小圆柱孔的下表面（轴承外圈的下半部分，即两个1/4环面，A39和A74），

将Value施加为25e6，单位为Pa。

再施加轴向推力载荷，

Main Menu -> Solution -> Define Loads -> Apply -> Structural -> Pressure -> On Areas，

选择支撑的四个台阶面（A25、A49、A72、A73），

将Value施加为4e6，单位为Pa。

3.4求解

Main Menu中，Solution -> Solve -> Current LS，

跳出的/STATUS Command是对当前待求解问题的描述，直接点击Solve Current Load Step中的OK，没几秒就算好了，点击Close关闭提示算好的信息窗口。

注意：如果没有展开计算，提示错误，那可能是前面某个地方没有设置好，比如边界条件没有完全施加，外载荷没有施加，截面面积未给定，弹性模量没指定等。

#4后处理

4.1查看变形状态

Main Menu中，General PostProc -> Plot Results -> Deformed Shape，

在Plot Deformed Shape窗口中，选择Def + undeformed，OK。

4.2查看等效应力云图

Main Menu中，General PostProc -> Plot Results -> Contour Plot -> Nodal Solu，

Nodal Solution -> Stress -> Von Mises Stress，OK。

最大等效应力68.1MPa，位于轴承座小圆柱孔表面。

Utility Menu中，File -> Exit…，在Exit对话框中勾选Save Everything，OK。保存相关几何模型、设置参数、计算结果，并关闭该软件。

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