基于Simulation的蜗卷螺旋弹簧刚度仿真分析

基于Simulation的蜗卷螺旋弹簧刚度仿真分析

作者：丁芳芳 何婷婷

来源：《科学与财富》2016年第16期

摘 要：因具有承受载荷大、吸能大、结构紧凑等优点，蜗卷螺旋弹簧被广泛用于管道系统或与管道系统相连的部件中。本文利用SolidWorks Simulation对蜗卷螺旋弹簧进行刚度仿真分析，得到其在工作载荷作用下的变形规律及具有非线性特征的刚度曲线，不仅简化了分析计算过程，也为蜗卷螺旋弹簧的RE设计打下基础，为其失效后的重构和修复提供了依据。 关键词：蜗卷螺旋弹簧；非线性；刚度仿真分析；SolidWorks Simulation 0引言

蜗卷螺旋弹簧是将长方形截面的板材卷绕成圆锥状的弹簧，也被称为宝塔弹簧或竹笋弹簧[1]。与其他弹簧相比，在相同的空间容积内，蜗卷螺旋弹簧可以吸收较大的能量，且其板间存在的摩擦可用来衰减振动。因此，常将其用于需要吸收热膨胀变形和阻尼振动的管道系统或与管道系统相连的部件中[1]。其缺点是制造工艺复杂，成本高，且由于簧圈之间间隙较小，热处理较困难，也不能进行喷丸处理。

用传统的计算方法求解蜗卷螺旋弹簧载荷与变形的规律是一项非常复杂的任务，费时费力，且精度不高，在实际生产中并不适用。而SolidWorks Simulation的出现则为准确快速的分析蜗卷螺旋弹簧的变形规律提供了可能性。SolidWorks Simulation 是一个与 SolidWorks完全集成的设计分析系统，是一款基于有限元技术的分析软件，具有操作简单，计算可靠，易学易用等特点。利用Simulation对蜗卷螺旋弹簧进行刚度仿真分析，得到其非线性的特性曲线，并讨论弹簧在变载荷作用下的变形过程，对实际生产中蜗卷螺旋弹簧的设计及使用具有指导意义。 1 结构及受力分析 1.1 受力分析

蜗卷螺旋弹簧在工作过程中底面固定，顶面承受法向变载荷，载荷范围约为0～25000N。 1.2 结构分析

本文选取蜗卷螺旋弹簧的主要几何参数如表1所示。 表1 蜗卷螺旋弹簧几何参数

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1.3 蜗卷螺旋弹簧三维建模

根据表1所列蜗卷螺旋弹簧几何参数用SolidWorks建立其三维实体模型，为便于分析，对其进行适当简化，最终模型由小圆盘、蜗卷螺旋弹簧和大圆盘三部分组成，如图1所示。 2 刚度仿真分析过程

①建立算例 建立非线性的新算例。由于蜗卷螺旋弹簧是大柔度构件，在工作工程中会发生很大的变形，而一般的静态算例仅限于分析小位移类型的问题，故建立非线性算例，使用大位移公式对弹簧进行分析，以保证结果的正确性。

②定义材料属性 定义蜗卷螺旋弹簧的材料为65Si2MnA，材料的力学性能数据如表2所示。

表2 材料的力学性能数据

③定义相触面组 分别在弹簧下表面和大圆盘上端面、弹簧上表面和小圆盘下端面上定义相接触面组，指定【无穿透】选项。

④添加约束 在大圆盘底面上添加【固定几何体】约束条件，限制其六个自由度。在小圆盘圆柱表面上添加一个高级夹具，约束圆盘的径向位移和绕轴向的转动，该约束只允许弹簧沿轴向压缩或伸长。如图1所示。

⑤施加载荷 在小圆盘的上端面上施加一个25000N的压力，如图1所示。在非线性算例中载荷是随时间逐步加载的，载荷随时间的变化规律如图2所示。

⑥划分网格 为提高计算精度，采用二节实体四面体单元对蜗卷螺旋弹簧进行网格划分，每个四面体单元有4个角点和6个中间节点，每个节点具有3个平移自由度，如图3所示。 ⑦运行算例 运行以上设置的非线性算例，计算完成后得到位移分析结果及相应的云谱图，其中图4为蜗卷螺旋弹簧的时间-位移非线性响应图，图5为蜗卷螺旋弹簧最终的位移云图。 3 结论

从上述仿真结果我们可以得出以下结论：

1.利用Simulation对蜗卷螺旋弹簧进行刚度仿真分析，所得到的特性曲线（图6）与标准的蜗卷螺旋弹簧特性曲线[1]无明显差异，证明了分析结果的正确性，从而为实际生产中蜗卷螺旋弹簧的刚度分析提供了理论依据。

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2.由蜗卷螺旋弹簧的位移云图可以看出，该弹簧已达到完全压并状态，说明其在25000N的法向压力作用下变形量最大，同时刚度也达到最大值。

3. Simulation能够求解大位移非线性的问题，且具有功能强大，计算准确快速的特点，具有较强的实用性，对生产制造具有指导意义 参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005. [2] 卢永杨.蜗卷螺旋弹簧计算机辅助设计[J].机械设计与制造.1988.

[3] 陈超祥，叶修梓.SolidWorks Simulation基础教程[M].北京：机械工业出版社，2010. [4] 赵玉奇，丁芳芳，王栋，程建民.DANA定轴式变速器用截锥螺旋弹簧刚度仿真分析[J].机械设计与制造.2012.