弹簧设计仿真及疲劳计算

今天给各位分享弹簧设计仿真及疲劳计算的知识，其中也会对弹簧设计仿真及疲劳计算进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！

本文导读目录：

1、弹簧想合格出厂，弹簧特性的检测一定少不了！

2、压缩弹簧弹力、刚度计算公式

3、弹簧设计仿真及疲劳计算

　　你知道吗，你手中的弹簧除了在原材料和生产工艺等细节需要考量外，最后的检测步骤也是相当重要的一环。我们日常所说的弹簧特性检测到底是检测什么呢？ 　　弹簧的特性及其极限偏差 　　拉伸和压缩弹簧的特性应符合：在指定高度(或长度) 的载荷下，弹簧变形量应在试验载荷下变形量的20％—80％之间，要求1级精度时，弹簧在指定高度载荷下的变形量应在4mm以上；对特性有特殊需要考核刚度时，其变形量应在试验载荷下变形量的30％-70％之间。 　　试验载荷Fs：测定弹簧特性时，以弹簧上允许承载的最大载荷作为试验载荷。 试验应力τs：测定弹簧特性时，以弹簧上允许承载的最大应力作为试验应力。指定高度时的载荷9的极限偏差，按下图的规定。 　　拉伸弹簧的特性在有效圈数大于3时，其指定长度下的载荷9极限偏差按以下的规定： ±[(初拉力F0×α)十(指定长度下载荷—初拉力F0)×β]式中 α——初拉力F0的极限偏差，按表7-18规定； 　β——与变形量对应的载荷F极限偏差，按表7-18规定。 拉伸和压缩弹簧刚度的极限偏差，按表7—19规定。 　　弹簧载荷和刚度的检测 　　拉伸和压缩弹簧的载荷可用弹簧拉压试验机检测，大型弹簧可在材料拉压试验机上进行载荷检测。 图7-9所示为机械式弹簧拉压载荷试验机，采用杠杆原理，将载荷值转化为位移值显示在数值盘上。拉压试验机的主要规格性能见表7-20。 　　下图所示为电子式弹簧拉压试验机，应用负荷传感器、直光栅、微机系统将数值显示在显示器上，并可打印。其规格性能见表7-21。 　　载荷的测试精度不但与试验机负荷测量精度有关，而且与加载时弹簧压缩后的长度(或变形量)读数精度也有关。在测量如喷油器弹簧等变形量小而精度较高的弹簧时，可以在试验机上附加一只千分表来提高变形量读数的精度，从而提高了负荷测量的精度；在电子式弹簧拉压试验机上测量负荷时，带有位移传感器，且负荷传感器本身变形极其微小时可以忽略不记。在实际使用当中应灵活应用。 　　载荷测量时，应注意调节试验机的“0”位，并要扣除弹簧自身的质量。对于细长而不易直立的弹簧，可附加心轴进行试验，此时应尽量避免或减少心轴和弹簧之间的摩擦力，使其不致影响载荷的测量精度。 　　无论是压缩或拉伸弹簧，在测量载荷时，均应使所加载荷处于弹簧轴心线或垂直于弹簧轴心线的方向上，使弹簧在变形时不发生扭曲现象。若是变形量较大，压缩弹簧端面与试验机支撑平台之间产生较大的相对位移时，可采用轻轻敲击的方法使弹簧放松，以减少摩擦。也可在压盘或支撑平板上装置止推轴承来消除大变形量时的扭曲现象。 　　3)弹簧压至指定高度载荷的检测： 　　使用机械式弹簧拉压试验机或不带有位移传感器的电子式弹簧拉压试验机上测量载荷时，将与指定高度相同的量块放置在负荷试验机压盘中央；当量块加载到与图样名义值相近的负载；锁紧定位螺钉或定位销；取出量块，放人待测弹簧，调整零位，去除弹簧自重；将弹簧压至指定的高度，并读出相应的载荷；按照标定的载荷试验机误差，对读数进行修正。 　　使用带有位移传感器的电子式弹簧拉压试验机上测量载荷时，将载荷试验机上下压盘并紧；在两压盘上加载与图样名义值相近的载荷；位移清零；放人待测弹簧，去除弹簧自重，调整载荷零位；将弹簧压至指定的高度，锁紧定位螺钉或定位销；并读出相应的载荷；按照标定的载荷试验机误差，对读数进行修正。 　　4)弹簧压缩规定变形量时载荷的测试： 　　使用机械式弹簧拉压试验机或不带有位移传感器的电子式弹簧拉压试验机测量载荷时，将待测弹簧放在载荷试验机压盘中央，调整零位，去除弹簧自重；将上压盘压至与弹簧刚接触的位置，载荷试验机显示值F0≈0．05F；记录载荷试验的初读数F0和长度示值的读数；继续加载，使长度显示的读数变化值已达到规定的变形量；记F，则压缩规定变形量时弹簧载荷F1＝F—F0，按照标定的录负荷试验机的载荷读数载荷试验机误差对读数进行修正。 　　除了采用上述试验机外，亦可以采用其他方法进行载荷测试。比如用压力环检测载荷。此种压力环精度较高，因此还可以用它来校验各种弹簧试验机。压力环的主要规格性能。 　　采用电容式或电阻式压力传感器，配合适当的放大显示电子仪器，也可以进行载荷测量，这就是通常使用的电子秤。使用电子秤测量载荷的优点是传感器本身变形量极其微小，以致可以忽略；再则容易自动控制，为弹簧载荷的自动测量、自动分类创造了条件。图7-13是利用压力传感器及位移传感器测量弹簧特性曲线的示意图。拉压力传感器主要规格和性能参见有关手册。现在有些灵敏度高的传感器的分辨能力可以达到1/1000，线性度可以达到1／10000。 　　弹簧刚度的检测 　　弹簧刚度的测量是在载荷测量的基础上进行的，测量弹簧刚度的办法是测出弹簧的特性线，然后进行分析。具有直线型特性线的弹簧刚度就是特性线的斜率，具有曲线型特性线的弹簧刚度是变值。但实际上即使是圆柱螺旋弹簧，其特性线亦不是理想的直线。这是由于弹簧的工作圈数有限、弹簧节距及其他几何参数的不均匀等原因使特性线起始及结尾部分有些弯曲，。所以测量弹簧的刚度应避开弯曲的部分。一般方法是在整个弹簧变形量的20％-80％范围内，均匀地多测几点。　　上面公式里每项代表的含义为： 　　G = 剪切弹性模量[MPa, psi]（G值大小为：钢丝8000，不锈钢7200） 　　d = 线径 [mm] 　　n = 有效圈数 [圈] 　　D = 中心直径 [mm] 　　k = 弹簧系数 [kg/mm] 　　这个公式是弹簧刚度的计算公式，刚度乘以工作行程就等于这个弹簧的工作力度。 　　通过上式，我们可以得出，压缩弹簧的参数必须由：材料、线径、中心直径、有效圈数、弹簧总长，工作高度，需求力度这些参数组成。如果对力度没有特别要求的弹簧，可以不提供弹簧的工作高度和需求力度的参数。 　　由材料、线径、中心直径、有效圈数、弹簧总长、工作高度、需求力度这些参数组成，如果对力度有要求，需要针对性计算弹力。 　　压缩弹簧已知自由长度和刚度时，某一工作长度负荷的计算公式 如下： 　　P=RxF 　　P是指负荷（kg）：R是指弹簧刚度（kg／mm）：F是指距自由长度的变形量(mm)。　　本文主要介绍弹簧设计及仿真的相关知识，包括弹簧的刚度、应力、以及疲劳寿命等。在对包含弹簧的产品进行力学仿真时，一般可以采用1D弹簧单元进行简化。另外，6自由度的弹簧单元，通过设置不同方向的刚度，也可以用于模拟转动副、滑动副等运动副。 　　teesim.com 资源中心的“螺旋弹簧计算”在线工具，可以根据弹簧尺寸参数，按照理论公式计算出弹簧的刚度。例如：线径2mm，外径20mm，有效圈数为6，自由长度40mm的压缩弹簧。材料选择SUS304，自动计算的刚度是3.9N/mm。 　　NX软件的GC工具箱，可以快速绘制弹簧三维模型。输入弹簧尺寸，即可画出弹簧。 　　NX集成的simcenter仿真环境，可以进行有限元分析。设计建模、网格划分、求解计算以及后处理查看结果，都在同一个软件中进行，比较方便。 　　弹簧中间的螺旋部分，可以采用六面体扫掠网格，两端磨平的部分采用四面体网格，两种不同类型的网格之间采用五面体金字塔网格进行过渡。材料杨氏模量200000MPa。 　　仿真条件：弹簧一端固定，另一端压缩20mm。输出位移、应力和支反力。考虑弹簧自身接触，采用非线性分析。 　　仿真得到的压力-位移曲线是非线性的，弹簧刚度随压缩量发生变化。初始刚度3.7~3.8N/mm，与理论计算结果接近。后期由于弹簧发生自接触，刚度增加。 　　对于中径和螺距存在变化的特殊弹簧，无法采用理论公式计算刚度时，我们可以通过有限元分析来研究弹簧的刚度。 　　螺旋弹簧的疲劳寿命，可以根据SAE HS-795标准中的疲劳极限图来评估。下图是冷卷有预置的情况（cold-wound preset），另外还有 冷卷无预置（cold-wound and not preset）和热卷有预置（hot wound and preset）两种情况，这里没有列出，详见SAE HS-795标准。还应注意，这个表是基于Wöhler diagram (B10 life) 寿命测试方法，其置信度是50%.（This diagram was developed using B10 test lives. As a result, life estimates based on this diagram are B10 estimates at 50% Confidence. ） 　　图中，横坐标是弹簧初始预压位置的剪切应力与抗拉强度的比值Ks1，纵坐标是最大压缩位置的的剪切应力与抗拉强度的比值Ks2。如果弹簧初始压缩量是10mm，最大压缩量是20mm，抗拉强度是1200MPa。从有限元分析结果中，可以查看压缩量10mm、20mm对应的剪切应力分别是294MPa、598MPa。因此Ks1=294/1200=0.245，Ks2=598/1200=0.498，对于未做喷丸处理的弹簧，上图中坐标点(0.245,0.498)几乎正好位于10^6虚线上。因此，该弹簧的疲劳寿命大约是100万次。参考相关经验公式，Excel计算得到的疲劳寿命是133万次。 　　NX Nastran 的CELAS单元和CBUSH单元可以模拟弹簧。 　　CELAS单元用于关联两个节点之间的自由度，并设置相应的刚度。自由度的方向，取决于两个节点各自的坐标系方向，可以相同也可以不同。如图所示的两个CELAS单元，关联的自由度都是DOF1。由于节点的坐标系不一样，表现出的运动方式也不一样。 　　CBUSH单元是6自由度的弹簧单元，需要定义单元坐标系。CBUSH单元可以同时设置刚度和阻尼，并且刚度/阻尼可以随频率变化（常用于频率响应振动分析中），还可以设置非线性刚度。 　　CBUSH单元不同自由度方向可以设置不同刚度，利用这一特点可以模拟运动副。例如：模拟转动副时，可以将CBUSH单元绕着旋转轴的扭转刚度设为0，其他方向的刚度设为很大的值（如1.0E6）。 　　弹簧装配状态一般都有一定的预载荷。设置CBUSH弹簧单元的预载荷，有以下两种方法可供参考： 　　(1)弹簧按照自由状态建模（无预载荷的状态），施加外载荷使其处于装配位置，然后激活加载端的连接单元使其保持装配位置。外载荷撤销后，弹簧仍处于装配位置，保持预载荷状态。其中，加载端的连接单元需要设置单元生死，用于控制该连接单元只在预载荷完全加载之后起作用。 　　(2)弹簧按照装配状态建模（有预载荷的状态），设置非线性的弹簧力-位移的关系。初始状态位移为零，但弹簧力并不为零，所以弹簧力-位移曲线不经过原点。 　　注意：这里的位移和弹簧力都有正负。位移是单元坐标系下两端节点的相对位移/转角（u2-u1），弹簧力即单元力/力矩。端节点受到的力或力矩指向单元外部时为正，反之为负。 　　测试案例: 　　弹簧刚度10N/mm，预压缩10mm。模拟滑块在波浪形底座上水平移动的过程。 　　NX Nastran SOL601 求解结果： 　　NX Nastran网格可以直接导入Abaqus，CBUSH弹簧单元自动转换为Connector连接器。Abaqus standard 求解结果：文章来源：http://www.teesim.com弹簧设计仿真及疲劳计算-TeeSim

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