基于COSMOSWorks的彈簧零件靜態分析

康凱　李義

摘 要：運用與SolidWorks無縫集成的有限元分析軟件COSMOSWorks對彈簧進行改型優化設計，使設計更加方便、快捷、準確，對改型設計具有指導意義。通過對彈簧零件進行靜態分析可知該彈簧裝置在當前施加的壓力下其結構強度是可靠的。

關鍵詞：三維Solidworks；彈簧；COSMOSWorks；靜態分析

引言

隨著信息技術在各領域的迅速滲透，CAD/CAM/CAE技術已經得到了廣泛的應用，從根本上改變了傳統的設計、生產、組織模式，對推動現有企業的技術改造、帶動整個產業結構的變革、發展新興技術、促進經濟增長都具有十分重要的意義。在各種行業中為了縮短產品的設計周期，降低其成本，提高產品質量，產品設計研發人員正廣泛使用計算機輔助工程CAE。在CAE技術中，有限元法是運用最成功、最廣泛的一種數值方法。

本文中首先運用SolidWorks軟件對該彈簧進行實體建模，如圖1所示。然后通過有限元分析軟件COSMOSWorks對該彈簧進行受力分析，分析其在壓力一定的情況下彈簧零件的變形、壓力變化情況，以達到對彈簧零件施加合適的負荷。

1 彈簧零件靜態分析

彈簧原結構見圖1所示，彈簧不好固定也不好加負荷，所以用兩個圓盤加在彈簧的兩端。

1.1 給彈簧賦予材料

在SolidWorks中進入COSMOSWorks模塊，建立一靜態研究。在彈簧特征管理器中右擊選擇“應用材料到所有實體”，在材料對話框中選擇彈簧材料為合金鋼，其主要性能見圖2。

1.2 約束彈簧、給彈簧加負荷并劃分網格

如圖3所示，固定彈簧一端圓盤的底面，在另一端的圓盤圓柱面上加上徑向約束，再在圓盤的頂面施加1N的力。網格劃分就是將幾何體剖分成形狀簡單且相對小的實體，是一種離散化的過程。這些實體被稱為有限單元。單元數量是有限的，它們并不是無限的小，而是與整個模型的尺寸相比適度的小。

1.3 運行并觀察分析結果

對彈簧一系列參數設置完成之后，在COSMOSWorks管理器中右鍵單擊“算例1”，選擇“運行”，在成功的運行靜態分析之后，COSMOSWorks在管理器中生成“應力”、“位移”、“應變”圖標。點擊其一將顯示相應的圖解，如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4可知彈簧在承受1N的壓力下進行靜態分析所受的最大應力為2.418E+006 ，最小應力3.422E+001 ，材料的屈服應力為6.204E+008 ，從而可以推斷該彈簧裝置在當前施加的壓力下其結構強度是可靠的。圖5可知彈簧裝置最大位移變形為0.05786 。應變圖解如圖6所示。

假如在彈簧裝置的其它參數不變，在其一端面所施加的力有所變化，觀看其最大應力變化情況，力的變化情況如下表所示：

在COSMOSWorks管理器中改變彈簧裝置端面受力大小，觀看其最大應力變化情況，最大應力變化情況如表2所示：

根據表2彈簧裝置最大應力隨端面受力變化情況可以繪出壓力-應力關系圖表，如圖7所示。

2 結束語

嵌入在SolidWorks中的有限元分析軟件COSMOSWorks，工程師們可以根據該有限元軟件對產品進行應力分析、應變分析、變形分析、熱力分析、優化設計、線性和非線性分析等。使用COSMOSWorks有限元分析軟件，產品設計研發者可以極大地縮短產品的設計周期，降低了測試成本，提高了產品質量。本文通過對該彈簧裝置進行有限元分析可知，對彈簧施加1N的負荷，彈簧的結構強度是可靠的。

參考文獻

[1]楊宗明.基于CAE技術的優化方法及其應用[J].機械設計與制造，2004（4）.

[2]SolidWorks公司（著）.COSMOS基礎教程：COSMOSWorks Designer[M].葉修梓，陳超祥（編）.北京：機械工業出版社，2007，4.

[3]曹巖.SolidWorks機械設計實例精解[M].北京：機械工業出版社， 2008.

作者簡介：康凱，安徽淮北人，畢業于安徽理工大學電氣工程及自動化專業，現任皖北煤電恒源股份五溝煤礦機運事業部機電助理工程師。