基于COSMOSWorks的弹簧零件静态分析

康凯　李义

摘 要：运用与SolidWorks无缝集成的有限元分析软件COSMOSWorks对弹簧进行改型优化设计，使设计更加方便、快捷、准确，对改型设计具有指导意义。通过对弹簧零件进行静态分析可知该弹簧装置在当前施加的压力下其结构强度是可靠的。

关键词：三维Solidworks；弹簧；COSMOSWorks；静态分析

引言

随着信息技术在各领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到了广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的变革、发展新兴技术、促进经济增长都具有十分重要的意义。在各种行业中为了缩短产品的设计周期，降低其成本，提高产品质量，产品设计研发人员正广泛使用计算机辅助工程CAE。在CAE技术中，有限元法是运用最成功、最广泛的一种数值方法。

本文中首先运用SolidWorks软件对该弹簧进行实体建模，如图1所示。然后通过有限元分析软件COSMOSWorks对该弹簧进行受力分析，分析其在压力一定的情况下弹簧零件的变形、压力变化情况，以达到对弹簧零件施加合适的负荷。

1 弹簧零件静态分析

弹簧原结构见图1所示，弹簧不好固定也不好加负荷，所以用两个圆盘加在弹簧的两端。

1.1 给弹簧赋予材料

在SolidWorks中进入COSMOSWorks模块，建立一静态研究。在弹簧特征管理器中右击选择“应用材料到所有实体”，在材料对话框中选择弹簧材料为合金钢，其主要性能见图2。

1.2 约束弹簧、给弹簧加负荷并划分网格

如图3所示，固定弹簧一端圆盘的底面，在另一端的圆盘圆柱面上加上径向约束，再在圆盘的顶面施加1N的力。网格划分就是将几何体剖分成形状简单且相对小的实体，是一种离散化的过程。这些实体被称为有限单元。单元数量是有限的，它们并不是无限的小，而是与整个模型的尺寸相比适度的小。

1.3 运行并观察分析结果

对弹簧一系列参数设置完成之后，在COSMOSWorks管理器中右键单击“算例1”，选择“运行”，在成功的运行静态分析之后，COSMOSWorks在管理器中生成“应力”、“位移”、“应变”图标。点击其一将显示相应的图解，如图4、图5、图6所示。

由图4可知弹簧在承受1N的压力下进行静态分析所受的最大应力为2.418E+006 ，最小应力3.422E+001 ，材料的屈服应力为6.204E+008 ，从而可以推断该弹簧装置在当前施加的压力下其结构强度是可靠的。图5可知弹簧装置最大位移变形为0.05786 。应变图解如图6所示。

假如在弹簧装置的其它参数不变，在其一端面所施加的力有所变化，观看其最大应力变化情况，力的变化情况如下表所示：

在COSMOSWorks管理器中改变弹簧装置端面受力大小，观看其最大应力变化情况，最大应力变化情况如表2所示：

根据表2弹簧装置最大应力随端面受力变化情况可以绘出压力-应力关系图表，如图7所示。

2 结束语

嵌入在SolidWorks中的有限元分析软件COSMOSWorks，工程师们可以根据该有限元软件对产品进行应力分析、应变分析、变形分析、热力分析、优化设计、线性和非线性分析等。使用COSMOSWorks有限元分析软件，产品设计研发者可以极大地缩短产品的设计周期，降低了测试成本，提高了产品质量。本文通过对该弹簧装置进行有限元分析可知，对弹簧施加1N的负荷，弹簧的结构强度是可靠的。

参考文献

[1]杨宗明.基于CAE技术的优化方法及其应用[J].机械设计与制造，2004（4）.

[2]SolidWorks公司（著）.COSMOS基础教程：COSMOSWorks Designer[M].叶修梓，陈超祥（编）.北京：机械工业出版社，2007，4.

[3]曹岩.SolidWorks机械设计实例精解[M].北京：机械工业出版社， 2008.

作者简介：康凯，安徽淮北人，毕业于安徽理工大学电气工程及自动化专业，现任皖北煤电恒源股份五沟煤矿机运事业部机电助理工程师。