基于Solidworks Simulation的圓柱螺旋彈簧應力分析

程 鵬，阮軍元，邵晨曦

（1.機械科學研究總院 中機生產力促進中心, 北京 100044；2.北京科技大學, 北京 100083）

0 引言

在交通運輸業日益發達的今天，交通工具的大承載、高可靠、低故障成為很多交通行業及相關產業的研究重點，而彈簧作為一種減震部件，為了能夠長期承受重載荷，彈簧的高應力、長壽命、承載范圍大等性能需要隨著行業的需求不斷提高，其有限元分析是彈簧設計的一種可靠有效的手段，包括彈簧的應力、疲勞及其優化。一般通過試驗獲得這些性能，然后依據獲得的試驗數據進行改進，而疲勞性能測試試驗一般花費時間較長，且需要大量實驗，使得設計周期變長。如果通過有限元分析軟件優化分析和疲勞分析，再進行設計改進，以達到期望的設計目標。這樣不僅節省時間，而且減少了設計成本[1]。本文就通過驗證Solidworks Simulation 分析軟件的可靠性，再進行彈簧的疲勞分析及優化設計，達到期許的設計目標。

1 三維模型的建立

以某彈簧廠的氣門彈簧為參考，氣門彈簧作為汽車發動機的重要部件，在實際工作中頻繁被壓縮，為了能夠合理模擬彈簧的約束及軸向力，在彈簧上下端添加壓蓋[2]。三維模型如圖1 所示。

彈簧材料選用VDCrSi，其彈性模量E=2.034e11，泊松比選0.3，簧絲直徑d=3mm，旋繞比C=8，曲度系數計算的K=1.18，施加載荷P1=137.2N，P2=196N，P3=230N，P4=274.4N。分別分析不同載荷下彈簧的最大切應力及位移量，與理論值或試驗值進行對比，來探究仿真分析的可靠性及精度，以便用于彈簧的具體分析。

圖1 彈簧模型Fig.1 Spring Model

圖2 施加約束和載荷Fig.2 Constraints and loads applied

2 彈簧的有限元分析

為了能夠精確分析，使用【高】品質單元劃分網格，單元大小1.06907mm，公差0.0534533mm。為了保證彈簧在分析過程中不產生徑向彎曲即保證彈簧只有沿載荷方向上的位移，除了在下壓蓋添加全約束外，還需要在上壓蓋上添加高級夾具，選擇圓柱面，并選擇徑向位移為0，如圖2 所示，即添加徑向約束[3]。

約束條件的設置很重要，一般曲面實體有限元分析時間較長，為了節省時間，必須在分析前確保約束與零件實際工況的一致性，防止出現約束不良而致變形失真的現象。

這里先不考慮彈簧的壓并及其接觸問題，分別在上端蓋施加P1、P2、P3、P4，劃分網格，運行得到應力、位移、應變云圖，其XY 方向剪應力和彈簧位移結果如圖3 所示。

圖3 不同載荷下的XY 方向的剪應力云圖及位移圖Fig.3 The shear stress and displacement maps in X-Y direction under different loads

表1 分析結果對比Tab.1 Comparative analysis of the results

3 理論與有限元分析結果的對比

經過四組載荷分析，有限元分析的彈簧最大切應力的誤差不超過2%，且隨著載荷的增大，分析結果與理論越接近，位移的分析結果與實際測量值也是相近的，說明模型的建立基本正確，可以以有限元分析的結果對實際彈簧所受應力進行近似的評價，并進行后續的分析。

另外，通過彈簧疲勞分析，結果顯示彈簧疲勞斷裂發生在靠近下端圈1.5 圈左右的部位，疲勞源在彈簧內側，這與實際情況下彈簧斷裂的部位相符。

4 結論

通過Solidworks simulation 對彈簧進行有限元分析，分析結果與理論較接近，因此利用Simulation 進行有限元分析是可行的，而且從建模到分析并不需要中間轉換，也不用考慮模型的失真，為分析者提供了很大方便，且提高了分析的精度，為后續彈簧的優化設計提供依據。

[1] 伯德富，等. 基于CATIA 的彈簧有限元分析[J].開發研究，2012，2.

[2] 楊峰. 基于ANSYS 的汽車懸架螺旋彈簧有限元分析[J].設計與研究，2011，38.

[3] 史小輝，等. 基于Solidworks Simulation 的汽車懸架彈簧有限元優化的研究[J]. 2011，1.