轴承座的结构分析及优化

任务书题 目 轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化题目来源 教 师 自 拟学生姓名 学号专业班级指导教师 职称教 研 室毕 业 论 文 （ 设 计 ） 任 务 与 要 求轴 承座 是重 要的 轴承 连接元 件， 利用 ABAQUS 仿 真平台 ， 在 设计 基础 上对 方 形轴承 座 UCF205 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析 ， 并 进 行 结 构 优 化 ， 验 证 模 型 结 构 设 计 的 合 理 性 及 安 全 性 。 具 体任 务 如 下 :1. 根 据 原 有 设 计 对 方 形 轴 承 座 进 行 有 限 元 分 析 ， 得 出 分 析 结 构 。2. 对 结 构 进 行 优 化 ， 得 出 有 限 元 分 析 结 果 ， 比 较 优 化 后 的 效 果 。3. 根 据 分 析 结 果 ， 得 出 较 佳 的 结 构 。4. 撰 写 毕 业 论 文 一 份 。毕 业 论 文 （ 设 计 ） 工 作 进 程起止时间 工作内容2017.12.27-2018.2.102018.2.10-2018.3.152018.3.16-2018.3.222018.3.23-2018.3.282018.3.29-2018.4.62018.4.7-2018.4.132018.4.14-2018.5.242018.5.25确 定 毕 业 设 计 选 题 ， 完 成 毕 业 设 计 开 题 报 告 。收 集 方 形 轴 承 座 UCF205 有 关 资 料 ， 初 步 学 习 ABAQUS 仿 真 平 台。 中 期 检 查 ， 针 对 轴 承 座 的 结 构 进 行 分 析 并 初 步 实 现 优 化 。 正式 开 始 各 种 优 化 工 作 ， 构 造 好 优 化 总 体 思 路 。利用 ABAQUS 仿 真 平 台 进 行 仿 真。 撰 写 设 计 说 明 书 。指 导 教 师 审 阅 ， 评 阅 教 师 评 阅 ， 论 文 查 看 。 同 时 为 毕 业 论 文 答 辩 做准 备 工 作 。答辩。指 导 教 师 （ 签 字 ） 毕 业 论 文 工 作 组 组 长 （ 签 字 ） 学 生 （ 签 字 ） 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 起 止 时 间 ： 2017 年 12 月 27 日至 2018 年 5 月 25 日注 ： 本 表 由 指 导 教 师 填 写 ， 于 每 学 年 第 1 学期 18 周 ， 经 毕 业 论 文 工 作 组 审 批 ， 随 毕 业 论 文 装订 由 学 院 存 档 。开题报告论文（设计）题目 轴承座的结构分析及优化学生姓名 学号 指导教师一、研究本课题的目地和意义工具是 人类 文明 进步 的标 志。 自 20 世纪 末期 以来, 现代制 造技 术与 机械 制造 工艺自 动化都有 了 长 足 的 发 展 。 但 工 具 (含 夹 具 、 刀 具 、 量 具 与 辅 具 等 )在 不 断 的 革 新 中 , 其 功 能 仍 然 十 分 显著。 机 床 夹 具 对 零 件 加 工 的 质 量 、 生 产 率 和 产 品 成 本 都 有 着 直 接 的 影 响 。 因 此 ， 无 论 在传统 制 造 还 是 现 代 制 造 系 统 中 , 夹 具 都 是 重 要 的 工 艺 装 备 。轴 承 座 是 各 种 机 械 设 备 中 常 见 的 部 件 ， 它 的 主 要 作 用 是 支 撑 轴 承 ,目 前 常 用 轴 承 座 已 经标准 化 , 通 常 在 机 械 产 品 设 计 时 只 要 选 取 即 可 , 但 在 许 多 场 合 , 因 为 结 构 和 条 件 的 需 要 , 需要非标轴承 座 , 对于轴 承座 生 产厂家, 则是 要尽 力降 低 生产成 本, 提 高产 品质 量。 因此要 学习 和掌握计算机 技术 等多 方面 的新 知识 、 新 技术 、 而且 要对 机 械制造 和机 床夹 具等 必备 的基础 理论 知识、运 用 全 新 的 观 点 重 新 优 化 组 合 。本设计 中主 要针 对轴 承座 的结构 进行 分析 ， 使用 ANSYA 软 件进 行仿 真。 在设 计基础 上对方 形 轴 承 座 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析 ， 并 进 行 结 构 优 化 ， 验 证 模 型 结 构 设 计 的 合 理 性 及 安 全 性。二、国内外的轴承座发展现状轴承是 标准 件， 是全 球互 换产品 ， 作 为轴 承的 亲密 伙伴， 轴承 座在 整个 轴系 中扮 演 着重 要 的 角 色 。 它 一 般 位 于 轴 的 两 端 ， 主 要 作 用 是 支 撑 、 固 定 轴 承 ， 使 轴 及 其 连 接 部 件 具 有一定位 置关 系 。 另 外， 轴承 座一般 带有 密封 装置 ， 从 而减少 轴承 的污 染 。 经 过 多年的 发展 ，我国轴 承产 业已 经形 成了 相当规 模 ， 全 国轴 承行 业 2010 年 产值 约为 1300 亿 元 人民币 ， 位居全球 第三 位 。 尽 管我 国轴 承行业 的发 展规 模已 经非 常庞大 ， 但绝 大部 分都 是集 中在低 端 ，而在高 端轴 承制 造领 域 ， 我 国与发 达国 家相 比仍 存在 相当大 的差 距 。 中 国是 全球 轴承大 国 ，但 还 不 是 轴 承 强 国 。 人 们 对 中 国 轴 承 企 业 的 印 象 是 ： 总 规 模 大 、 企 业 大 大 小 小 多 、 价 格 低廉 、 质 量 一 般 、 行 业 的 生 产 集 中 度 低 、 高 端 产 品 相 配 套 的 轴 承 研 发 能 力 低 、 轴 承 行 业 制 造技 术 水 平 低 等 现 象 仍 然 存 在 。 全 世 界 已 生 产 ansys 轴 承 品 种 5 万 种 以 上 ，规 格 多 达 15 万 种 以 上 。 1997 年 世 界 轴 承 总 产 量 超 过 100 亿 套 ， 总 销 售 额 约 300 亿 美 元 ，其 中 北 美 、 日 本 、 西 欧 占 世 界 轴 承 产 量 的 78%， 美 国 、 日 本 、 德 国 已 形 成 世 界 三 大 轴 承 市场 。 一 些 世 界 著 名 的 轴 承 公 司 ， 如 瑞 典 的 SKF 公 司 、 德 国 的 FAG 公 司 、 日 本 的 NSK 公 司 、美 国 的 TORRINGTON 公 司 等 ， 在 世 界 500 家 大 公 司 中 均 榜 上 有 名 。 （ 据 美 国 幸 福 杂 志1994 年 报 道 ， 在 世 界 500 家 大 企 业 中 ， SKF 排 387 位 、 NSK 排 404 位 、 TORRINGTON 公 司 的母 公 司 英 格 索 尔 兰 德 公 司 排 在 369 位 ） 。 高 精 度 、 高 转 速 、 高 可 靠 性 、 长 寿 命 、 免 维 护保养以 及标 准化 、 单元 化、 通用化 已成 为轴 承的 基本 技术标 志。 特别 在轴承 基 础技术 进步 、通用产 品的 结构 改进 、 专 用轴承 单元 化和 陶瓷 轴承 的开发 等方 面成 效最 为显 著。 而轴 承 座与 轴 承 息 息 相 关 ， 它 的 主 要 作 用 是 支 撑 轴 承 ,目 前 常 用 轴 承 座 已 经 标 准 化 ， 随 着 轴 承 的 发展 也 不 断 的 在 进 步 。三、研究内容本 课 题 研 究 的 主 要 内 容 有 ：1. 确 定 轴 承 座 的 型 号 ， 研 究 轴 承 座 的 结 构 以 及 在 机 械 设 备 中 的 作 用 。2. 在 creo2.0 中 对 轴 承 座 UCF205 进 行 建 模 。3. 在 ANSYS 仿 真 软 件 中 对 轴 承 座 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析 。4. 在 轴 承 座 在 原 有 结 构 上 进 行 优 化 ， 再 次 利 用 ANSYS 仿 真 软 件 轴 承 座 新 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析。5. 比 较 俩 次 分 析 的 结 果 ， 得 出 较 佳 的 结 构 。6. 撰 写 毕 业 论 文 一 份 。四、研究方案及步骤经 分 析 ， 本 课 题 的 设 计 可 分 为 以 下 阶 段 ： 第 一 阶 段 ： 1)查 阅 相 关 资 料 ， 记 录 所 需 的 信 息 ，确 定 可 行 性 方 案 。2)理 清 研 究 思 路 ， 确 定 轴 承 座 型 号 以 及 其 在 机 械 设 备 中 的 作 用 。 第 二 阶 段 ： 1)在 creo2.0 中 对 轴 承 座 UCF205 进 行 建 模2)根 据 原 有 设 计 对 方 形 轴 承 座 进 行 有 限 元 分 析 ， 得 出 分 析 结 构 。3)确 定 对 轴 承 座 的 优 化 方 案 。第 三 阶 段 ： 1)使 用 ANSYS 软 件 对 优 化 后 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析 。 2)最 后 根 据 分 析 结 果 ， 得 出 较 佳 的 结 构 。五、论文提纲 第 1 章 绪论1.1 研 究 的 目 的 及 意 义1.2 国 内 外 轴 承 行 业 发 展 现 状1.3 轴 承 座 的 功 能 和 结 构 、 以 及 在 机 械 设 备 中 的 作 用第 2 章 有限元单元法与 ANSYS 简介2.1 有 限 单 元 法2.2 国 内 外 ANSYS 软 件 的 发 展 现 状2.3 ANSYS 仿 真 软 件 的 使 用第3章 建立实体模型3.1 creo2.0 简 介 3.2 实 体 模 型 的 建 立 3.3 网 格 划 分3.3.1 制 定 工 作 文 件 名 和 标 题 名3.3.2 单 元 类 型 选 择3.3.3 制 定 材 料 属 性3.3.4 进 行 扫 掠 网 格 划 分第 4 章 ANSYS 有限元分析4.1 ANSYS 有 限 元 分 析 典 型 步 骤4.2 有 限 元 模 型 的 建 立4.3 加 载 和 求 解4.3.1 定 义 分 析 类 型 和 设 置 分 析 选 项4.3.2 施 加 载 荷4.3.3 设 置 载 荷 步 选 项4.3.4 求解4.4 轴 承 座 结 构 优 化4.5 对 优 化 后 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析第 5 章 结果分析与比较 第 6 章 结论与展望第 7 章 总结参 考 文 献 致谢附件六、论文（设计）工作量的估计、工作条件 1、工作量估计1)查 阅 并 记 录 所 需 资 料 。2)轴 承 座 的 型 号 及 基 本 参 数 的 确 定 ；3)学 习 使 用 ANSYS 软 件 的 使 用 方 法 ；4)使 用 ANSYS 软 件 对 轴 承 座 结 构 进 行 有 限 元 分 析 ；5)制 作 毕 业 答 辩 的 PPT。2、工作条件1)ANSYS 软 件 。2)在 图 书 馆 查 阅 相 关 资 料 以 及 在 国 内 外 知 名 网 站 上 查 阅 所 需 的 资 料 。参 考文 献1李 泽 天 ,王 兴 伟 ,李 小 飞 . 基于 ANSYS 的 轴 承 座 有 限 元 分 析 J. 兵 工 自 动 化 . 2008(12) 2杨康，韩涛 在模 态分 析中 的应 用 佳木 斯大 学学 报（ 自 然科学 版） 3王 富 耻 , 张 朝辉 . ANSYS10.0 有 限 元 分 析 理 论 与 工 程 应 用 M. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社 , 2006（ 9）4谭 长 建 , 张 娟 . ANSYS 高 级 工 程 应 用 实 例 分 析 与 二 次 开 发 M. 北京: 电 子 工 业 出 版 社 , 2006 5尚 晓 江 , 邱峰. ANSYS 结 构 有 限 元 高 级 分 析 方 法 与 范 例 应 用 M. 北京: 中 国 水 利 水 电 出 版 社, 2 0056王 勖 成 , 邵 敏 . 有 限 单 元 法 基 本 原 理 和 数 值 方 法 M. 北京: 清 华 大 学 出 版 社 , 1997 7武 传江 . ANSYS 在 结 构 分 析 中 的 应 用 J淮 海 工 学 院 学 报 (人 文 社 会 科 学 版 )， 2002（ 3） 8高 耀 东， 郭 喜 平 ， 郭 志 强 .ANSYS 机 械 工 程 应 用 25 例 M.北 京 ： 电 子 工 业 出 版 社 ,2007.135 9程 社 联， 杨 中 平 ， 冯 战 勤 . 有 限 元 法 在 机 械 设 计 中 的 应 用 A. 杨 凌 职 业 技 术 学 院 报 ， 2009.8（3 ） ： 210邢 静 忠 . ANSYS 应 用 实 例 与 分 析 M. 北京: 科 技 出 版 社 , 2006. 5-8 11杜 平安 . 结 构 有 限 元 分 析 建 模 方 法 M. 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 1998 12刘 玉 兰 ,孙澜 涛 .滚 动 轴 承 载 荷 分 析 J.山 东 建 材 学 院 学 报 .1999(02)13肖 健 利 .工 作 轧 辊 轴 承 座 和 滚 柱 轴 承 装 置 的 有 限 元 分 析 J.山 西 冶 金 .1994(01) 14孙雪 颜 .基 于 ANSYS 二 次 开 发 技 术 的 液 压 支 架 立 柱 设 计 与 优 化 D.山 东 科 技 大 学 .2008 15有限 元 及 其 在 现 代 机 械 工 程 中 的 运 用 J. 孙 建 民 ,徐 冰 晶 . 科 技 与 企 业 . 2015(12) 16张 云 .深 基 坑 工 程 开 挖 与 支 护 的 ANSYS 有 限 元 模 拟 D.中 国 海 洋 大 学 .200817基 于 ANSYS 的 发 动 机 曲 轴 有 限 元 分 析 J. 张 健 ,许 福 忠 ,郭 小 兰 ,付 洵 . 机 电 技 术 . 2013(03) 18ANSYS 工 程 计 算 应 用 教 程 M. 中 国 铁 道 出 版 社 , 李 皓 月 等 编 著 , 200319有 限 元 法 M. 机 械 工 业 出 版 社 , 张 国 瑞 主 编 , 199120基于 ANSYS 的 轴 承 座 的 模 态 分 析 J. 杨 军 ,杨 世 文 ,王 京 涛 ,罗 鑫 源 . 机 械 工 程 与 自 动 化 . 2011(04)21 发 动 机 主 轴 承 座 结 构 强 度 分 析 研 究 J. 杨 万 里 , 许 敏 , 邓 晓 龙 , 刘 国 庆 . 内 燃 机 工 程 .2007(01)22用 ANSYS 求 解 轴 承 座 支 承 刚 度 J. 顾越. 上 海 电 机 厂 科 技 情 报 . 2000(04)注 ： 1.此 表 由 学 生 填 写 后 ， 交 指 导 教 师 签 署 意 见 ， 经 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 工 作 组 审 批 后 ， 才 能 开题。2.此 表 随 毕 业 论 文 装 订 并 由 学 院 存 档 。指 导 教 师 意 见 及 建 议 （ 从 选 题 、 理 论 与 实 证 准 备 、 研 究 （ 设 计 ） 方 法 、 工 作 安 排 等 方 面 给 出 评 价，并 提 出 指导 意见 ） ：选题符合专业要求,学生通过此论文能将理论和实际相结合,锻炼实际动手能 力 ,工 作 量 饱 满 ,现 同 意 开 题 ,继 续 进 行 后 期 工 作 !指 导 教 师 签 名 ：年 月 日毕 业 论 文 工 作 组 意 见 及 建 议准予开题毕 业 论 文 工 作 组 组 长 签 字 ：年 月 日中期检查表论文（设计）题目 轴承座的结构分析及优化学 生姓名学 号 指 导教 师计划完成时间 20XX 年 3 月 22 日按 照 进 度 安 排 应 完 成 的 任 务明确设计内容，确定轴承座的型号及参数，分析轴承座的受力情况，并对轴承座进行三 维 建 模 ， 学 习 仿 真 软 件 ANSYS。实 际 完 成 情 况确 定 轴 承 座 型 号 为 UCF205， 查 找 参 数 ， 了 解 轴 承 座 在 卧 式 机 床 丝 杠 两 端 具 体 受 力 情 况 。完 成 轴 承 座 的 三 维 建 模 。目 前 有 哪 些 问 题 和 困 难 ， 拟 采 取 的 解 决 方 法ANSYS 仿 真 软 件 在 电 脑 中 运 行 不 流 畅 ， 无 法 实 现 分 析。 解 决 方 式 ： 重 新 学 习 新 的 仿 真 软 件 ABAQUS。检 查 中 发 现 的 问 题 与 建 议截 至 目 前 该 生 实 体 建 模 已 经 完 成 一 半 ， 基 本 能 按 进 度 完 成 预 期 的 我 任 务 ， 平 时 能 积 极 参加 论 文 指 导 工 作 ， 希 望 后 期 加 快 进 度 ， 完 成 优 化 分 析 过 程 。毕 业 论 文 工 作 组 组 长 签 名 ：年 月 日注 ： 1.最 后 一 栏 由 指 导 教 师 填 写 。 2.此 表随 毕 业 论 文 装 订 并 由 学 院 存 档 。指导教师（签名） ： 年 月 日注 ： 此 表 随 毕 业 论 文 装 订 并 由 学 院 存 档 。指导教师评分表学院： XXXXX专业班级： XXXX 学生姓名： XXXXX学号： XXXXX毕业论文题目 轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化评 价 项 目 （ 参 考 ） 分值 打分01 工 作 态 度 ， 工 作 作 风工作 态度02 毕 业 论 文 完 成 情 况20 20.003 查 阅 文 献 资 料 能 力04 综 合 运 用 知 识 能 力05 研 究 方 案 的 设 计 能 力06 研 究 方 法 和 手 段 的 运 用 能 力能力 水平 07 外 文 应 用 能 力40 28.008 文 题 相 符 程 度09 写 作 水 平10 写 作 规 范 程 度11 篇 幅 ， 论 文 工 作 量论文 质量 12 论 文 的 理 论 或 实 际 价 值40 30.0综 合 评 定 成 绩 78.0评价意见1. 学习态度较认真， 能按时参加定期辅导， 并按要求完成规定的任务工作量。2. 论 文 内 容 设 计 较 合 理 ， 工 作 量 基 本 符 合 要 求 ； 通 过 设 计 过 程 很 好 了 得 锻炼 了学生的设计分析能力，分析结果具有一定的实用性。3. 论文写作较规范，格式符合要求。 达到了本科生的毕业设计要求同意答辩。是否同意答辩 同意评阅教师（签名） ： 年 月 日注 ： 此 表 随 毕 业 论 文 装 订 并 由 学 院 存 档 。评阅教师评分表学院： XXXXXX专业班级： XXXXX 学生姓名： XXXXX学号： XXXXXX毕业论文题目 轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化评 价 项 目 （ 参 考 ） 分值 打分01 查 阅 文 献 资 料 能 力02 综 合 运 用 知 识 能 力03 研 究 方 案 的 设 计 能 力04 研 究 方 法 和 手 段 的 运 用 能 力能力 水平 05 外 文 应 用 能 力50 42.006 文 题 相 符 程 度07 写 作 水 平08 写 作 规 范 程 度09 篇 幅 ， 论 文 工 作 量论文 质量 10 论 文 的 理 论 或 实 际 价 值50 43.0综 合 评 定 成 绩 85.0评价意见论 文 利 用 有 限 元 软 件 对 轴 承 座 结 构 进 行 分 析 和 优 化 设 计 ， 选 题 具 有 一 定 的 应 用 价 值。 论 文 撰 写 认 真 ， 格 式 基 本 规 范 ， 设 计 工 作 量 适 中 。 参 考 文 献 引 用 不 合 理 ， 问 现 在查 重 中 基 本 没 有 ， 建 议 修 改 。 论 文 达 到 本 科 毕 业 设 计 要 求 。是否同意答辩 同意答辩及成绩评定表学生姓名学号 专业名称答辩时间答辩地点 指导教师题 目 轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化 记录人姓 名 职 称 姓 名 职 称答辩小组成员提问及 回答 情况 记录 （3 4 个主 要问 题）： 1 .另 一 种 优 化 方 案 ? 答 ： 在 下 凸 台之 间 加 支 撑 条 。2.设 计 轴 承 座 机 床 中 本 来 就 有 加 强 筋 ， 实 际 中 有 加 强 筋 吗 ？ 答 ： 轴 承 座 是 标 准 件 ，和 轴 承 配 套 使 用 ， 有 固 定 的 结 构 ， 因 此 原 轴 承 座 中 没 有 加 强 筋 。 3.优 化 前 应 力 云 图， 最 大 应 力 是 多 少 ？ 答 ： 从 云 图 的 极 值 可 以 看 出 应 力 值 为 +2.03MPa。记 录 人 签 字 ：年 月 日答 辩 小 组 评 语 及 成 绩 ：答 辩 小 组 组 长 签 字 ：年 月 日指 导 教 师 成 绩 40% =评 阅 教 师 成 绩 20% =答 辩 成 绩 40% =毕 业 论文 总评 成 绩论文 等级毕 业 论 文 工 作 组 意 见 ：毕 业 论 文 工 作 组 组 长 签 名 ： 年 月 日注 ： 1、 总 评 成 绩 =指 导 教 师 成 绩 40% 评 阅 教 师 成 绩 20% 答 辩 成 绩 40%。 2、论 文等 级分 优秀 （9 0 分） 、良 好（8 0-89 分） 、 中等（ 70-79 分 ） 、 及格 （ 60-69 分） 、 不及格 （60 分） 。3、 此 表 随 毕 业 论 文 装 订 并 由 学 院 存 档 。轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化摘 要 ： 轴 承 座 在 机 械 生 产 中 是 很 常 见 的 ， 在 各 类 机 器 、 机 构 中 都 不 会 缺少它的身影。在本次设计中，选择安装在滚珠丝杠两端安装的轴承座为研究对 象，轴承座的所受到的力主要分布在轴承孔上，除此之外在轴承孔的下半部分 有径向压力载荷力。长时间的负荷会使轴承座发生形变，甚至损坏为了提高结 构的整体性能，需要研究轴承座的结构。本次设计通过使用 ABAQUS 软件的有限元分析功能， 运用 ABAQUS 软件对轴承 座进行线性静态分析的方法， 通过软件有限元分析输出的结果， 观察应力云图。 在对轴承座的受力分析和对有限元分析出的结果的基础上，找出轴承座的薄弱 地方，适当改变轴承座的结构，找出至少两种不同的优化方法，并对优化后结 构得出的数据进行对比和分析，选出较好的轴承座的优化方式。关键字：轴承座；静态分析；有限元；ABAQUS轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化IIStructural Analysis and Optimization of Bearing SeatsAbstract：Bearing housing is very common in mechanical production, in allkinds of machines, institutions will not lack of it. In this design, the bearing seatsinstalled at both ends of the ball screw are selected as the research object, and the forcesexerted on the bearing seats are mainly distributed on the bearing holes, besides, thereare radial pressure loads borne by the lower half of the bearing holes. Long time loadwill deform the bearing block, even damage it. in order to improve the overallperformance 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 usesABAQUS software to carry out linear static analysis on the bearing seat, and observesthe 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 elementanalysis, find out the weak points of the bearing seat, change the structure of the bearingseat appropriately, find out at least two different optimization methods, and compareand analyze the data obtained from the optimized structure, and choose a betteroptimization way of the bearing seat.Keywords: bearing；static analysis；finite element；ABAQUSIII目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪论 .11.1 研究本课题的目地和意义 .11.2 国内外的轴承座发展现状 .1第 2 章 轴承座的选择及结构分析 .32.1 轴承座的选择 .32.2 轴承座的型号及参数 .32.3 轴承座的受力分析 .32.4 有限元单元法与 ABAQUS 简介 .52.4.1 有限单元法 .52.4.2 ABAQUS 简介 .6 SOLIDWORKS 建模 .6 ABAQUS 的使用 .122.6.1 ABAQUS 使用环境 .122.6.2 ABAQUS/CAE 功能模块 .132.7 ABAQUS 静态分析 .132.7.1 问题描述 .142.7.2 创建模型 .142.7.3 属性设置 .152.7.4 装配 .152.7.5 设置分析步与输出请求 .162.7.6 定义载荷与边界条件 .162.7.7 划分网格 .192.7.8 运行分析 .212.7.9 后处理 .22第 3 章 轴承座的优化及结构分析 .253.1 加“加强筋” .253.1.1 填加“加强筋” .253.1.2 优化后的轴承座分析 .263.2 凸台之间的“支撑条” .273.2.1 轴承座底座上面加“支撑条” .273.2.2 优化后的轴承座分析 .283.3 结果分析与比较 .293.3.1 与原轴承座的对比 .293.3.2 两种优化方式结果的比较 .31第 4 章 总结 .33IV轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化参 考文 献 .35致 谢 .37附 录 A 英文文献翻译 .391第 1 章 绪 论1.1 研究本课题的目地和意义一 直 以 来 ， 人 类 文 明 不 断 进 步 ， 工 具 的 发 展 也 从 没 有 停 下 过 前 进 的 脚 步 。 尤 其 是 进 入 20 世 纪 以 后 ,现 代 制 造 技 术 有 了 翻 天 覆 地 的 变 化 ， 工 艺 自 动 化 的 发 展 也 是 一 日 千 里 。 轴 承 座 的 应 用 广 泛 ， 在 各 种 加 工 设 备 里 来 说 是 极 其 普 遍 的 存 在 。 从 轴 承 座 的 作 用 来 看 ， 其 主 要 是 为 轴 承 服 务 的 ， 以 固 定 自 身 方 式 来 支 撑 轴 承 ， 以 维 持 轴 承 运 动 。 目 前 常 见 的 设 备 里 用 的 轴 承 座 已 经 基 本 实 现 了 标 准 化 , 一 般 在 需 要 使 用 轴 承 及 轴 承 座 时 只 要 直 接 取 用 就 可 以 , 但 在 很 多 场 合 , 因 为 对 轴 承 座 有 着 不 同 的 作 用 , 会 需 要 非 标 轴 承 座 , 对 于 轴 承 座 生 产 厂 家 , 就 是 要 尽 力 降 低 生 产 成 本 , 提 高 产 品 的 质 量 。 因 此 要 对 机 械 制 造 和 工 艺 优 化 等 有 必 学 的 基 础 理 论 知 识 要 ， 而 且 学 习 和 掌 握 计 算 机 技 术 等 多 方 面 的 新 知 识 、 新 技 术 ， 运 用 全 新 的 观 点 来 实 现 重 新优化组合。在 本 次 轴 承 座 的 设 计 中 主 要 针 对 结 构 进 行 分 析 ， 使 用 ABAQUS 软件进行仿真和 分 析 。 在 对 原 来 轴 承 座 受 力 分 析 的 基 础 上 ， 提 出 优 化 方 案 并 对 方 形 轴 承 座 的 结 构 进 行 有 限 元 分 析 ， 最 终 观 察 应 力 云 图 得 出 结 论 ， 验 证 模 型 结 构 设 计 的 合 理 性 及 安 全性。1.2 国内外的轴承座发展现状轴承作为标准件，是全球互换产品，而轴承座作为轴承的亲密伙伴，与其息 息 相 关 ， 在 整 个 轴 系 中 都 有 着 举 足 轻 重 的 地 位 。 轴 承 座 一 般 位 于 轴 的 两 端 ， 起 到 的主要作用是支撑和固定轴承，使轴承及其连接部件之间具有一定的位置关系。 另外，轴承座一般都带有密封装置，从而可以起到减少轴承的污染的作用。经过 许多年的发展，轴承产业在我国规模也越来越大。尽管目前我国轴承行业的发展 规模已经很庞大，但绝大部分都是体现在低端水平，尤其高端轴承的制造领域， 我国与发达国家相比仍存在巨大的鸿沟。就目前来看，我国虽然可以算得上是轴 承大国， 但距离轴承强国还是很远。 人们对中国轴承企业的印象是 ： 总体规模大、 企业多、价格低、质量一般、行业的生产主要集中低度、极其缺少高端产品轴承 的研发能力、轴承行业制造技术水平太低等。1997 年世界轴承总产量超过 100 亿 套 ， 而 其 中 光 是 北 美 等 发 达 国 家 就 占 了 世 界 轴 承 产 量 的 78%， 美 国 、 日 本 、 德 国 这2轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化三个发达国家早已创建了世界三大轴承市场。轴承的基本技术标志也早就成为了 高转速、长寿命、高可靠性、精度高、标准化、单元化。而且在轴承基础技术进 步方面、通用产品的结构改进层次方面、以及专用轴承单元化等方面成效极为有 限 。 而 轴 承 座 与 轴 承 是 永 远 没 法 分 开 ， 一 直 都 是 息 息 相 关 ,现 如 今 常 用 轴 承 座 已 经 标准化了，也在随着轴承的发展在不断的在进步。3第 2 章 轴 承 座 的 选 择 及 结 构 分 析2.1 轴 承 座 的 选 择UCF 轴承可以用于换热器, 污水处理设备, 变频泵, 电动焊机, 工作台,电 镀 设 备 ,上 光 机 ,橡 胶 成 型 机 , 制丸机, 塑料压延机 , 农机配件等机械设备中。 本次设计选用的轴承座是安装在卧式车床丝杠俩端的轴承座，丝杠的作用 是带动大拖板来做纵向移动，以此用来车削螺纹。常用的滚珠丝杠是精密机械 上的传动元件，它最重要的功能就是将旋转运动转变为线性运动，也可以将扭 矩转换成轴向作用力。丝杠具有很小的摩擦阻力，丝杠是车床中主要精密件之一，因此不会使用丝杠来实现自动进给，方便长期保持丝杠的精度。 方形轴承座一般安装都是在车床丝杠两端的侧壁上的，其结构简单、安装方式也很方便。端盖属于应用很广的机械零件，同时也是轴承座的主要零件之 一。 端盖有着控制轴承外圈的轴向和轴承在工作过程中的防尘和密封的作用。2.2 轴承座的型号及参数型号 UCF205类型 方形轴承座 适用轴承 外球面球轴承 材质 钢轴承座总长 95mm 两孔距 64mm固定孔 12mm轴径 25mm2.3 轴 承 座 的 受 力 分 析轴承在当代所有的机械设备中可以算得上是最重要零部件之一，它的主要 的功能是就是支撑旋转体，还可以保证回转精度。因此轴承座对于轴承的支持 和保护作用就显得尤其重要，而轴承座会因为轴承的转动而受到一定的力，本 设计来分析轴承座的受力情况。轴承通过丝杠的转动而转动，而轴承与轴承座轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化共同作用在一点，又是过硬配合，所以以丝杠的受力情况为例，来分析运动时 的受力情况。滚珠丝杠转动时， 利用伺服电机拖动来使丝杠旋转 ,轴承座及轴承安装在丝 杠两端， 用来固定丝杠 。 作旋转运动时， 直线 运动会由旋转运动转化而成,并且 通过运转丝杠的螺母来给丝杠提供加载力。原理图如下图 2.1 所示。图 2.1 外 力 加 载 原 理 图1 伺服电机 2 头架部件 3 加载丝杠 4 加载工作台 5 被测工作台 6 被测丝杠尾架支撑部件 7 加载丝杠尾架支撑部件 8 电涡流制动器阻尼组件 9 加 载丝杠 10 被测丝杠 11 床身通过丝杠将力施加在丝杠的螺母上的外力加载方式,在 F 推动下螺母向前 运 动 时 ,螺 母 会 受 到 关 注 载 荷 F，如下图 2.2 所示。图 2.2 工 作 载 荷 F 推 动 运 动 示 意 图4F(1) 在没有加载之前,两个螺母都只受F 的作用,产生轴向弹性变形量 ;(2) 当给螺母 2 施 加 轴 向 工 作 载 荷 F 后,螺母 1 在工作载荷 F 的 作 用 下 ,增 加 弹性 变 形 量 ,减少轴向变形量,螺母 1 总变形量以及总轴向力分别为: = 1 + F1 = + F 螺母 2 总变形量和总的轴向力分别为: = 2 F 螺母 2 产生的弹性恢复力 F 轴 向 工 作 载 荷F 预紧力2 = F (3) 弹性变形量会在工作载荷 F 增大后 ,当轴向力为 0 时消失,但是螺母与滚珠一 直 会 处 于 接 触 的 状 态 。 轴承座安装在丝杠两端，并有四个固定螺钉固定在车床侧壁上，在丝杠不运动时， 轴承座受到丝 杠平台通过轴承传递给轴承座的重力， 以及自 身的重力。 在丝杠运动时，丝杠上的刀架会工作消耗一部分的力，此时轴承座除了受到自 身的重力以外，还会受到由丝杠转动带来的不定向力。其中不定向力包括径向 和轴向的力， 其中， 轴 向力中有着轴向推力和轴向拉力。 此外， 轴承 在转动时， 会消耗一部分的力，同时还存在着扭矩，这些力最终会作用在轴承座上，通过 轴承座的承受，使得整体保持平衡。2.4 有限元单元法与 ABAQUS 简 介2.4.1 有限单元法有限单元法，基础是变分原理和加权余量法，使用有限单元法时，就是将计 算域分为有限 不重叠的单元来实现计算。 有限 元法的根本思想： 首 先， 将物体 分 散为有限不重叠但是可以通过节点相互连接的子域。最后，在原基础等效上的条 件下，此过程称为离散化。在划分的单元中，选择简单的变微分原理，建立有限 元方程，将微分方程转化为方程组，最后就可以借用计算机解答方程组，最终得5轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化到近似解。2.4.2 ABAQUS 简 介(1)ABAQUSABAQUS 是一种大型的结构和分析的有限元素法软件。 它专业性强， 说明书中 运用的案例都是一些最适合基础学习的实例。用户可以通过建立模型轻松的解决 一些很复杂的问题，基本的步骤就是可以先对部件先进行定义，再提供荷载和边 界条件就可以对模型进行分析， ABAQUS 仿真软件还可以通过调节荷载增量步来提 高分析结果的精度。(2) ABAQUS 提供的分析类型静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等。 动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析。 热 传 导 分 析 ： 传 导 ，辐 射 和 对 流 的 瞬 态 或 稳 态 分 析 。 非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等。 疲 劳 分 析 ： 根 据 结 构 和 材 料 的 受 载 情 况 统 计 进 行 生 存力 分 析 和 疲 劳 寿 命 预 估 。 设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计。(3) ABAQUS 分析步骤ABAQUS 有限元分析过程的组成：前处理、分析计算、后处理。 1 )前 处 理 （ ABAQUS/CAE）ABAQUS 的前处理过程也叫建模阶段， 建立与实际形状一样的模型来进行分析。 首 先 要 输 入 模 型 的 尺 寸 ， 在 对 材 料 属 性 进 行 定 义 ， 接 着 定 义 荷 载 与 边 界 条 件 ， 最 后还要对模型进行网格划分。模型建好后，CAE 能够生成输入文件，信息会通过 Job 模块提交并进行分析。2)分 析 计 算 （ ABAQUS/Standard） 计算阶段是完成有限元相关数值的计算， 一般会用显式分析求解器来进行计算，计算结束后，会将结果通过文件方式进行保存，方便进行后处理。 3 )后 处理 （ ABAQUS/CAE）后处理阶段的主要任务就是处理计算结果， 通过显示的方式得到直观的应 力云图。 SOLIDWORKS 建 模打开 solidworks 后，新建完成后开始建模。 通过凸台拉伸命令将草绘视图拉伸出来，如下图 2.3 轴承座底座拉伸图所示。67图 2.3 底 座 视 图通过凸台拉伸命令将草绘视图拉伸出来， 拉伸出轴承座上凸台， 如下图 2.4 所示。图 2.4 轴 承 座 上 凸 台通过凸台拉伸命令将草绘视图拉伸出来， 拉伸出轴承座上凸台， 如下图 2.5 所示。轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化8图 2.5 上 凸 台 拉 伸通过拉伸切除命令将草绘视图拉伸出来，将轴承座轴承孔切除出来，轴承座 底座加强筋草绘视图，如下图 2.6 所示。图 2.6 轴 承 座 底 座 加 强 筋西 安 文 理 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）9图 2.7 拉 伸 切 除 中 间 固 定 孔通过阵列将轴承座底座加强筋与固定孔绘制出来。如下图 2.8 所示。图 2.8 四 个 安 装 孔 的 绘 制轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化10通过倒圆角命令，将轴承座底座倒圆角，结果如下图 2.9 所示。图 2.9 倒 圆 角通过旋转命令，将轴承座边缘弧度旋转出来，结果如下图 2.10 所示。图 2.10 轴 承 座 边 缘 弧西 安 文 理 学 院 本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）11图 2 .11 轴 承 座为了方便分析轴承座的情况，再建立一个轴承和轴，用来研究工作是轴承座 的情况。如下图 2.12 所示。图 2.12 备 用 的 轴 承 模 型轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化12图 2.13 备 用 的 轴 模 型 ABAQUS 的使用 ABAQUS 使用环境ABAQUS 有完整的运行环境，其中 ABAQUS/CAE 就是最实用的，在生成 ABAQUS 模 型 、 提 交 作 业 以 及 评 估 ABAQUS 运行结果的时候，提供了一个简单的界面。（1）启动 ABAQUS/CAE启动 ABAQUS/CAE 程序之后，出现登录页面。创 建 模 型 : 开 始 新 的 分 析 过 程 。 用 户 可 根 据 自 己 的 问 题 建 立 Standard/Explicit 模型打开数据库:打开之前存储的模型。 运行脚本:运行文件。13(2) ABAQUS 的主窗口图 2.14 展 现 了 主 窗 口 的 组 成 部 分 ,用 户 可 以 经 由 主 窗 口 与 ABAOUS/CAE 交互。图 2.14 主 窗 口 的 各 个 组 成 部 分 ABAQUS/CAE 功 能 模 块ABAQUS/CAE 由部件模块、特性模块、装配模块、分析步模块、相互作用 模块、载荷模块、网格模块、分析作业模块、后处理模块、绘图模块这十个功 能 模 块 组 成 。 ABAQUS 静 态 分 析静态结构分析是在载荷不变的作用下分析结构的效应的方法，它不考虑结构 随着时间的变化载荷的情况。所有的载荷被设置为慢慢运用，直到最终达到完全 量 值 是 停 止 。 而 在 达 到 完 全 量 值 后 ， 受 到 的 载 荷 大 少 保 持 不 变 （ 不 会 随 着 时 间 变 化而改变 ） 。 由于运用 是设置的加速度和速度都非常小， 甚至可忽略 不计， 因此 在 这 种 假 设 下 回 忽 略 惯 性 力 和 阻 尼 力 。 静 态 分 析 主 要 是 计 算 在 载 荷 的 作 用 下 的 轴 承 座 的 位 移 、 应 变 和 应 力 。轴 承 座 的 结 构 分 析 及 优 化2.7.1 问题描述如图 2.15 所示的方形轴承座， 材料为钢， 采 用国际单位制 : 力(牛顿,N)、 应 力 (兆 帕 ,MPa)、 长 度 (毫 米 ,mm)， 泊 松 比 为 0.3。轴承座 UCF205 通过四个安装孔 进行固定，轴承设置为显示体约束,选用静态分析步,来分析轴承座在丝杠运动时 的应力和位移状态。图 2.15 方 形 轴 承 座 UCF2052.7.2 创建模型选择文件中保存的轴承座三维模型，打开如图 2.16。图 2.16 轴 承 座 的 模 型1415性”2.7.3 属性设置(1)单 击 按 钮 ,重 新 建 立 一 个 材 料 ,并 定 义 为 “Material-1”。 选 择 材 料 行 为 中 的 “弹 。(2)单 击 按钮,弹出 “创建截面”对话框。输入截面名称后 ,出现所显示的 “编 辑 截 面 ”对 话 框 。（3）在“编辑截面”对话框中选择所包含的材料类型,完成截面的定义。（ 4） 在 完 成 截 面 的 定 义 后 ， 点 击 按 钮 ， 来 为 模 型 指 派 截 面 。 在 视 图 区 中 拾 取 要 指 派 的 对 象 ,完 成 拾 取 后 ,完 成 截 面 指 派 ,以 轴 承 座