基于Solidworks Simulation的圆柱螺旋弹簧应力分析

程 鹏，阮军元，邵晨曦

（1.机械科学研究总院 中机生产力促进中心, 北京 100044；2.北京科技大学, 北京 100083）

0 引言

在交通运输业日益发达的今天，交通工具的大承载、高可靠、低故障成为很多交通行业及相关产业的研究重点，而弹簧作为一种减震部件，为了能够长期承受重载荷，弹簧的高应力、长寿命、承载范围大等性能需要随着行业的需求不断提高，其有限元分析是弹簧设计的一种可靠有效的手段，包括弹簧的应力、疲劳及其优化。一般通过试验获得这些性能，然后依据获得的试验数据进行改进，而疲劳性能测试试验一般花费时间较长，且需要大量实验，使得设计周期变长。如果通过有限元分析软件优化分析和疲劳分析，再进行设计改进，以达到期望的设计目标。这样不仅节省时间，而且减少了设计成本[1]。本文就通过验证Solidworks Simulation 分析软件的可靠性，再进行弹簧的疲劳分析及优化设计，达到期许的设计目标。

1 三维模型的建立

以某弹簧厂的气门弹簧为参考，气门弹簧作为汽车发动机的重要部件，在实际工作中频繁被压缩，为了能够合理模拟弹簧的约束及轴向力，在弹簧上下端添加压盖[2]。三维模型如图1 所示。

弹簧材料选用VDCrSi，其弹性模量E=2.034e11，泊松比选0.3，簧丝直径d=3mm，旋绕比C=8，曲度系数计算的K=1.18，施加载荷P1=137.2N，P2=196N，P3=230N，P4=274.4N。分别分析不同载荷下弹簧的最大切应力及位移量，与理论值或试验值进行对比，来探究仿真分析的可靠性及精度，以便用于弹簧的具体分析。

图1 弹簧模型Fig.1 Spring Model

图2 施加约束和载荷Fig.2 Constraints and loads applied

2 弹簧的有限元分析

为了能够精确分析，使用【高】品质单元划分网格，单元大小1.06907mm，公差0.0534533mm。为了保证弹簧在分析过程中不产生径向弯曲即保证弹簧只有沿载荷方向上的位移，除了在下压盖添加全约束外，还需要在上压盖上添加高级夹具，选择圆柱面，并选择径向位移为0，如图2 所示，即添加径向约束[3]。

约束条件的设置很重要，一般曲面实体有限元分析时间较长，为了节省时间，必须在分析前确保约束与零件实际工况的一致性，防止出现约束不良而致变形失真的现象。

这里先不考虑弹簧的压并及其接触问题，分别在上端盖施加P1、P2、P3、P4，划分网格，运行得到应力、位移、应变云图，其XY 方向剪应力和弹簧位移结果如图3 所示。

图3 不同载荷下的XY 方向的剪应力云图及位移图Fig.3 The shear stress and displacement maps in X-Y direction under different loads

表1 分析结果对比Tab.1 Comparative analysis of the results

3 理论与有限元分析结果的对比

经过四组载荷分析，有限元分析的弹簧最大切应力的误差不超过2%，且随着载荷的增大，分析结果与理论越接近，位移的分析结果与实际测量值也是相近的，说明模型的建立基本正确，可以以有限元分析的结果对实际弹簧所受应力进行近似的评价，并进行后续的分析。

另外，通过弹簧疲劳分析，结果显示弹簧疲劳断裂发生在靠近下端圈1.5 圈左右的部位，疲劳源在弹簧内侧，这与实际情况下弹簧断裂的部位相符。

4 结论

通过Solidworks simulation 对弹簧进行有限元分析，分析结果与理论较接近，因此利用Simulation 进行有限元分析是可行的，而且从建模到分析并不需要中间转换，也不用考虑模型的失真，为分析者提供了很大方便，且提高了分析的精度，为后续弹簧的优化设计提供依据。

[1] 伯德富，等. 基于CATIA 的弹簧有限元分析[J].开发研究，2012，2.

[2] 杨峰. 基于ANSYS 的汽车悬架螺旋弹簧有限元分析[J].设计与研究，2011，38.

[3] 史小辉，等. 基于Solidworks Simulation 的汽车悬架弹簧有限元优化的研究[J]. 2011，1.