CAE弹簧仿真分析解决方案.docx

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1、弹簧解决方案目录目录1 弹簧概述31.1 弹簧发展历史31.2 弹簧分类41.3 弹簧工作原理72 弹簧一般研发/设计流程概述83 弹簧CAE需求分析94 应用案例94.1 变丝径螺旋弹簧研究94.2 蛇形弹簧联轴器124.3 履带式手垒土讥履带张紧弹簧应力模拟144.4 连续障碍结构件的有限元分析164.5 圆柱螺旋弹簧的疲劳分析194.6 车辆减振器弹簧盘的疲劳分析215 ANSYSMeChaniCal 仿真模型简介241弹簧概述1.1 弹簧发展历史像大多数其他的基本机制，金属弹簧存在已久的青铜时代。即使是金属，木材 被用作一个灵活的弓箭和军事弹射器的结构构件。在文艺复兴时期的，精确的钟

2、表，使得精密弹簧第一次成为必然。十四世纪看到了发展的革命性天文导航的精确 的时钟。世界的探索和征服欧洲殖民大国继续提供动力的钟表匠“科学与艺术。火 器的另一个领域，推动弹簧开发。十八世纪的工业革命来临之际，提出了要大，准确，廉价的弹簧。鉴于钟表匠 弹簧往往手工制造，弹簧大规模生产材质为琴钢线或者类似的材料。先进的制造 方法，使今天的弹簧是无处不在的。计算机控制线和板料折弯机允许自定义弹簧的 加工，显然这是一种专用机械。弹簧只是个蓄能器，它有储存能量的功能，但不能慢慢地把能量释放出来，要 实现慢慢释放这一功能应该靠“弹簧+大传动比机构”实现，常见于机械表。弹簧 很早很早之前就有应用了，古代的弓和

3、弩就是两种广义上的弹簧。弹簧的发明家严 格意义上应该是英国科学家虎克(RObertHOOke),虽然那时螺旋压缩弹簧已经出现 并广泛使用，但虎克提出了 “虎克定律”一一弹簧的伸长量与所受的力的大小成正 比，正是根据这一原理，1776年，使用螺旋压缩弹簧的弹簧秤问世。不久，根据 这一原理制作的专供钟表使用的弹簧也被虎克本人发明出来。而符合“虎克定律” 的弹簧才是真正意义上的弹簧。1.2 弹簧分类按受力性质，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧，按形状 可分为碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、螺旋弹簧、截锥涡卷弹簧以及扭杆弹簧等， 按制作过程可以分为冷卷弹簧和热卷弹簧。普通圆柱弹簧由于制造简

4、单，且可根据 受载情况制成各种型式，结构简单，故应用最广。弹簧的制造材料一般来说应具有 高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及良好的热处理性能等，常用的有碳素弹簧 钢、合金弹簧钢、不锈弹簧钢以及铜合金、银合金和橡胶等。弹簧的制造方法有冷 卷法和热卷法。弹簧丝直径小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用热卷法。 有些弹簧在制成后还要进行强压或喷丸处理，可提高弹簧的承载能力。1、螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成 螺旋形。扭转弹簧端部结构是加工成各种形状的扭臂，而不是勾环。2、拉伸弹簧是承受轴向拉力的螺旋弹簧。在不承受负荷时，拉伸弹簧的圈与 圈之间一般都是并紧的没有间隙。

5、3、压缩弹簧是承受向压力的螺旋弹簧，它所用的材料截面多为圆形，也有用 矩形和多股钢萦卷制的，弹簧一般为等节距的，压缩弹簧的形状有：圆柱形、圆锥 形、中凸形和中凹形和少量的非圆形等，压缩弹簧的圈与圈之间会有一定的间隙， 当受到外载荷的时候弹簧收缩变形，储存变形能。4、扭力弹簧利用杠杆原理，通过对材质柔软、韧度较大的弹性材料扭曲或旋 转，使之具有极大的机械能。5、渐进型弹簧，这种弹簧采用了粗细、疏密不一致的设计，好处是在受压不 大时可以通过弹性系数较低的部分吸收路面的起伏，保证乘坐舒适感，当压力增大 到一定程度后较粗部分的弹簧起到支撑车身的作用，而这种弹簧的缺点是操控感受 不直接，精确度较差。6、

6、线性弹簧，线性弹簧从上至下的粗细、疏密不变，弹性系数为固定值。这 种设计的弹簧可以使车辆获得更加稳定和线性的动态反应，有利于驾驶者更好的控 制车辆，多用于性能取向的改装车与竞技性车辆，坏处当然是舒适性受到影响。7、短弹簧短弹簧相比原厂弹簧要短一些，而且更加的粗壮，安装短弹簧，能 够有效降低车身重心，减少过弯时产生的侧倾，使过弯更加稳定、顺畅，提升车辆 弯道操控性。而原厂减震器的阻尼设定偏向舒适，所以短弹簧和原厂减震器在配合 上不是很稳定，它不能够有效的抑制短弹簧的回弹和压缩，行驶在颠簸路面时，会 有一种不适的跳跃感，长此以往，减震器的寿命会大大减短，而且还有可能出现漏 油的情况。当然以上这些状

7、况都是相对而言，日常行驶的话不会有这么严重的损 坏，而且尽量不要激烈驾驶，毕竟原厂减震器承受不了高负荷的压力。扭力弹簧（扭簧）利用杠杆的原理，通过对材质柔软、韧度较大的弹性材料的 扭曲或旋转，使之具有极大的机械能。是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是 各圈或是紧密围绕或是分开围绕。扭转弹簧的端部结构是加工成各种形状的扭臂， 由单扭至双扭，乃至各种扭杆之变形，得依设计成型。扭转弹簧常用于机械中的平 衡机构，在汽车、机床、电器等工业生产中广泛应用。拉伸弹簧（拉簧）是承受轴向拉力的螺旋弹簧，拉伸弹簧一般都用圆截面材料 制造。在不承受负荷时，拉伸。Ov2弹簧的圈与圈之间一般都是并紧的没有间隙。利用拉

8、伸后的回弹力（拉力）工 作，用以控制机件的运动、贮蓄能量、测量力的大小等，广泛用于机器、仪表中。 其钩的形式有侧钩拉簧，长钩拉簧，英式钩拉簧，德式钩拉簧，半圆钩拉簧，鸭嘴 钩拉簧等等，其材料有不锈钢、琴钢、高碳钢、磷铜、油回火合金弹簧钢等。压缩弹簧（压簧）是承受轴向压力的螺旋弹簧，弹簧一般为等节距的，压缩弹 簧的形状有：圆柱形、圆锥形、中凸形和中凹形以及少量的非圆形等，压缩弹簧的 圈与圈之间有一定的间隙，当受到外载荷时弹簧收缩变形，储存变形能。碳纳米管弹簧直径可以达上百微米，而长度可以达几厘米，其纺丝结构具有广 阔的应用前景，有望应用于可伸缩导体、柔性电极、微型应变传感器、超级电容 器、集成电

9、路、太阳能电池、场发射源、能量耗散纤维等领域，为制备出肉眼可见 的碳纳米管电子器件提供了可能，还有望应用于医疗器械，比如拉力传感绷带等。 这种新型结构还可以发展成具有多功能的碳纳米管纤维复合材料加以利用。1.3 弹簧工作原理定义：表征弹簧载荷F、T与其变形1之间关系的曲线，成为弹簧曲线。载荷与变形：对于受压或受拉的弹簧，载荷指压力或拉力，变形指弹簧压缩量 或伸长量；对于受扭转的弹簧，载荷是指扭矩，变形是指扭角。常见类型：按照结构形式不同，常见的弹簧特性曲线有一下几种：直线型弹簧：弹簧刚度为一常数。特性曲线越陡，弹簧刚度越大，即弹簧越 硬；反之则越软。刚度渐增型弹簧：弹簧刚度随变形量的增大而增大

10、。如车辆缓冲减振弹簧，希 望在车辆重载和轻载时，均具有接近的自振频率，且在最大或冲击载荷作用是，仍 具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。刚度渐减型弹簧：刚度随变形的增大而减小。为了在冲击动能一定时，获得较 小的冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。2弹簧一般研发/设计流程概述L装置空间：设计一压缩弹簧必须清楚了解，所需装置弹簧的空间，方能有效 掌握一压缩弹簧之基本制造条件，外径、内径、自由长。2 .活动行程荷重：压缩弹簧的设计，必须清楚了解要作动的位置，及所需承载 之弹力。定出位置了解所需的弹力，则可决定材质、线径、圈数。3 .环境因素：弹簧于不同环境下

11、作动，会受环境因素的影响，而影响到使用寿 命，故设计者必须考虑到环境温度及湿度之变化，温度对弹簧的寿命影响甚巨，湿 度则容易使未进行表面处理的弹簧产生氧化。故环境因素可决定该弹簧是否需作表 面处理及材质的选定。4,两端距离空间：拉伸弹簧两端点将影响到挂勾之形式及拉簧的自由长。空间 则可决定密着部的尺寸、外径。5 .预拉之荷重：预拉之荷重则决定弹簧的材质及线径，密着部的尺寸则可调整 预拉长度。6 .心轴之外径：扭簧内径的订定得依心轴的大小而决定,但需考虑扭转后,簧体 之变化，故得预留适当之裕度。7 ,装置空间之内径：若一扭转弹簧之装置采段入式则需考虑拨入式之空间。空 间则决定簧体的外径、自由长、

12、圈数。8 .扭转支点：扭簧作功时必须有一支点，此一支点可决定，扭杆的长度及形 式。9 .作动之起终点：施力扭杆在未作功时与支点的角度位置，可明订出施力扭杆 的长短、形式及与支点杆的角度。3弹簧CAE需求分析 变截面弹簧性能 弹簧连接器传递扭矩时的结构特性 弹簧受变载荷下的力学性能分析 弹簧的疲劳寿命分析 与弹簧相连接的弹簧盘的结构性能分析4应用案例4.1 变丝径螺旋弹簧研究传统弹簧簧丝截面的大小、形状一般是不变的。对于非圆柱螺旋弹簧而言，在 沿簧丝轴线方向的不同截面处，其受力状况不同，这就导致了工作时不同截面处产 生的应力大小不同。这样产生的后果是弹簧在应力分布较大的节段容易破损，而在 应力分

13、布较小的节段材料富余。因此该案例中提出了改变簧丝直径的设计思想。变簧丝直径的思路为：针对非圆形螺旋弹簧，分析各截面处簧丝的受力状况， 根据受力状况的不同而确定不同的簧丝直径，尽可能使所有材料的性能得到最大限 度的发挥，从而减少材料的富裕量。与传统等丝径弹簧相比，新弹簧具备节省原材 料、质量小、应力分布更加均匀的优点。这种变簧丝直径的思想可应用于航空航天 领域及兵器领域，生产质量小、强度高的弹簧，在提高安全系数、减轻零部件质量 方面具有重要意义。(a)恒定丝冷弗赞(B)变丝径弹簧图5扁圆形棱柱螺旋弹黄(a)恒定丝径律簧(b)变丝径弹簧图6等效应力云图(a)恒定线径弹簧 (b)变丝径怦黄图7 整体

14、位移云图(a)恒定丝径弹簧(b)变丝径弹黄图8 安全系数云图4.2 蛇形弹簧联轴器JS型蛇形弹簧联轴器，是一种结构先进的金属弹性联轴器，它靠蛇形弹簧片来 传递扭矩。它具有一定优点：减振性能好，使用寿命长；承受变动载倚范围大，起 动安全；传动效率高，运行可靠；噪声底，润滑好；结构简单，装拆方便；弹簧片 与齿弧面是点接触的，使联轴器能获得较大的挠陛所以允许有较大的安装偏差，能 被安装在同时有径向，角向，轴向的偏差情况下正常工作。图3蛇形弹簧联轴器应力云图图4蛇形弹簧联轴器应变云图4.3 履带式手垒土讥履带张紧弹簧应力模拟履带式推土机工作条件恶劣，受力情况不均匀，使用一段时间后由于链轨销轴 的磨损会

15、使节距增大，并使整个履带伸长，导致摩擦履带架，脱轨等影响其行走的 性能。因此，每条履带必须装设张紧装置.使履带经常保持一定的张紧度。张紧轮 和张紧装置主要用来引导履带并调节履带的松紧程度。张紧弹簧为一螺旋弹簧，装 在活动支座和固定支座之间，在履带行走机构受到冲击时，起到缓冲作用。弹簧利 用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为位能，疲劳 断裂是圆柱弹簧的主要失效形式.找到弹簧工作时的最大应力位置并采取一定的措 施可以增加弹簧的使用寿命，因此，本案例模拟弹簧的受力，对其进行应力分析。图1圆柱螺旋压缩弹簧的实体网络UNJK图3弹簧应变云图图4材料截面切应力分布4.4连续障碍结构件的有限元分析在连续障碍考试的过程中，学员驾驶机动车从圆饼上面跨过的时候，由于学员 对机动车的熟练程度不够，很多学员在场地考试的时候经常对路考的机械装置造成 损坏，圆饼结构件就是在连续障碍中汽车经常会碰擦、挤压圆饼结构件，造成圆饼 结构件的损坏。在汽车碰撞圆饼结构件时，一种可能是车轮从圆饼结构件上压 过，使圆饼上盖受到正压力，造成了支撑上盖的弹簧产生压缩变形；另外