Расчет задачи анализа подшипника роликового...

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«Харьковский политехнический институт»

Кафедра ТММ и САПР

Объяснительная записка к курсовому проекту

по предмету: «Метод конечных элементов»

на тему: «Расчет задачи анализа подшипника роликового радиального с

короткими цилиндрическими роликами»

Выполнили студентки группы ТМ-88Б Бондаренко О. А. ________,

Бондаренко М. А. ________

Руководитель проекта: Пелешко Е. В.________

Харьков 2011

Содержание

1. Введение……………………………………………………………...3

2. Постановка задачи…………………………………………………...4

3. Описание задачи……………………………………………………..5

4. Ход работы

4. 1. Построение трехмерной модели в SolidWorks.........................6

4. 2. Расчет в ANSYS ………………………………………………..7

4. 2. 1. Постановка задачи ...................................................7

a) Построение геометрической модели……...……….7

b) Разбиение модели на КЭ сетку…………..…….…..10

c) Создание контактных пар………..………..……….10

4. 2. 2. Задание нагрузок и решение……………………...12

4. 2. 3. Просмотр результатов………………………….....13

5. Вывод………………………………………………………………...16

6. Содержимое log-файла……………………………………………...17

7. Перспективы........................................................................................38

8. Список использованной литературы……………………………….39

1. Введение

Подшипники - это технические устройства, являющиеся частью опор

вращающихся осей и валов. Они воспринимают радиальные и осевые

нагрузки, приложенные к валу или оси, и передают их на раму, корпус или

иные части конструкции. При этом они должны также удерживать вал в

пространстве, обеспечивать вращение, качание или линейное перемещение

с минимальными энергопотерями. От качества подшипников в

значительной мере зависит коэффициент полезного действия,

работоспособность и долговечность машины.

Назначение подшипника – уменьшать трение между движущейся и

неподвижной частями машины, так как с трением связаны потери энергии,

нагрев и износ.

2. Постановка задачи

Построить подшипник роликовый радиальный с короткими

цилиндрическими роликами, рассчитать для него перемещения и

напряжения. Решить контактную задачу.

Базовые программные продукты: ANSYS, SolidWorks

3. Описание задачи

Решить задачу анализа подшипника (Рисунок 1, все размеры в метрах).

Подшипник изготовлен из Стали ШХ15СГ-Ш ГОСТ 801-78. В качестве

нагрузки для наружного кольца задать перемещение величиной м.

Рисунок 1. Задача анализа подшипника

4. Ход работы

4. 1. Построение трехмерной модели в SolidWorks

На первом этапе выполнения курсового проекта мы построили

трехмерную модель подшипника в SW (Рисунок 2). Она параметрична:

построена с использованием скелетонов. В качестве ссылочной геометрии

выступает управляющий эскиз.

Рисунок 2. Подшипник

Также были построены вал и букса. Сборка представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3. Сборка

4. 2. Расчет в ANSYS

4. 2. 1. Предварительная обработка: Постановка задачи

a) Строим геометрическую модель снизу вверх:

Схематически составляющие подшипника (наружное и

внутреннее кольца, ролики) представим в виде окружностей. Но т.к.

модель симметрична, строим правую половину.

Строим геометрическую модель сверху вниз:

Создаем окружности – ролик, внешнее и внутреннее кольца

подшипника.

Ролик разделяем линиями на «четырехугольники». Кольца тоже

делим, на сегменты. Это необходимо для дальнейшего разбиения

конструкции на четырехугольные конечные элементы.

Сливаем совпадающие точки, которые пренадлежат линиям,

выделенным на Рисунке 3 красным цветом. Иначе на их основе

будет невозможно построить плоскости.

Рисунок 3. Совпадающие точки

Строим плоскости, указывая линии, создающие замкнутый

контур.

Также с двух сторон ролика строим по две линии (как показано на

Рисунке 4). Для них заданим тип элемента Link11 – аналог

пружины, работающий на растяжение-сжатие. Позже это поможет

нам зафиксировать нашу конструкцию.

Рисунок 4. «Пружины»

Создаем круговой массив «роликов» (поверхностей) при помощи

команды Copy в меню Preprocessor, предварительно сменив

декартовую систему координат на цилиндрическую. Задаем

количество копий равное 14 и угол 360/14.

Удаляем левую половину. Результат приведен на Рисунке 5.

Рисунок 5. Геометрическая модель подшипника

Склеиваем поверхности: 3,5 нижних роликов и нижнюю половину

внешнего кольца.

Рисунок 6. Операция склеивания поверхностей

Определяем тип элемента:

Выбираем элемент типа SOLID Quad 4node 182.

Также добавляем контактные элементы 2DTarget169 и 2nd surf171.

Задаем свойства материала:

Так как подшипник изготовлен из стали, вводим модуль

упругости Ех=200ГПа и коэффициент Пуассона PRXY=0,3.

b) Разбиение модели на конечноэлементную сетку:

Определяем размер сетки:

Для линий ролика устанавливаем размер стороны конечного

элемента равный 0,001 м; для линий колец — 0,002 м.

Для линий-пружин задаем количество элементов равное 1.

Так как ранее была выполнена операция склеивания, линии 10 и 11

были разбиты на четыре части (линии). Объединяем их, исполюзуя

явную конкатенацию. Это необходимо для проведения

упорядоченного разбиения.

Разбиваем модель на четырехугольные конечные элементы

(Рисунок 7).

Рисунок 7. КЭ сетка

c) Создание контактных пар:

Контактные задачи решаются с применением итераций, в которых

определяются зоны контакта, согласовываются контактные усилия и

перемещения. Такие задачи формулируются для двух или большего

количества тел. При этом тела могут иметь как конечную (деформируемые

тела), так и бесконечную жесткость (жесткое тело или ограничение). В

нашей работе рассмотрен контакт 16 деформируемых тел.

назначаем целевые и контактные линии как показано на Рисунке 8;

задаем коэффициент трения равный 0,3;

убираем зазор командой «Close gap”.

Рисунок 8. Контактные пары

4. 2. 2. Задание нагрузок и решение

Прикладываем граничные условия:

задаем свойство симметрии;

чтобы закрепить модель, для внутреннего кольца и для точек на

концах пружин было задано ограничение жесткая заделка;

задаем перемещение для наружного кольца вдоль оси У для создания

начального контакта двух тел.

Рисунок 9. Расчетная схема

Указываем тип анализа:

Отмечаем, что будем решать статическую задачу.

Задаем опции решения:

количество шагов – 10;

максимальное количество подшагов – 1000;

минимальное число подшагов – 1.

Запускаем решение задачи.

4. 2. 3. Просмотр результатов

Перемещения

Перемещение— изменение положения точек физического тела в

пространстве относительно выбранной системы отсчета. Также

перемещением называют вектор, характеризующий это изменение.

Длина отрезка — это модуль перемещения, измеряется в метрах (СИ).

Рисунок 10. Перемещения

Распределение напряжений

Выводим напряжения по Мизесу (Рисунок 11).

Напряжения по Мизесу (von Mises) – одна из теорий прочности

(рассматривается та часть потенциальной энергии, которая отвечает за

изменение формы). Эта теория дает точное решение для материалов с

примерно одинаковыми свойствами при растяжении-сжатии (не хрупкими).

Эквивалентные напряжения по Мизесу используются при оценке прочности

конструкций, чтобы не связываться со всем тензором напряжений.

Рисунок 11. Напряжения

5. Вывод

Максимальные перемещения – 0,112 м. Наблюдаются в зоне

приложения нагрузки.

Максимальные напряжения возникают в зоне контакта и равны 1,470

Па , что меньше допустимих (допустимые напряжения для стали –

150МПа).

Количество элементов – 13196.

Количество узлов – 13613.

6. Содержимое log-файла

/PREP7

K, ,,,,

K, ,,,0.050,

K, ,,0.065,,

K, ,,0.079,,

K, ,,0.079+0.016,,

K, ,,0.111,,

K, ,,0.125,,

K, ,,0.079+0.016,0.050,

FLST,2,1,3,ORDE,1

FITEM,2,3

FLST,8,2,3

FITEM,8,2

FITEM,8,1