弹簧元分析
橡胶弹簧有限元分析方法研究
橡胶弹簧有限元分析方法研究橡胶弹簧是一种由橡胶弹性体制成的传统型弹簧，广泛应用于补偿系统、模拟系统、消声系统、减振系统等机械系统中，是一种技术性和经济性相结合的轴承元件，其中的弹性变形能起着重要作用。
有限元分析是一种现代的计算机分析技术，可以模拟物理系统中复杂问题。
有限元分析可以有效地解决橡胶弹簧的力学性能，但是，橡胶弹簧的尺寸是多变的，而有限元分析需考虑到橡胶弹簧因材料和尺寸变化而引起的应力应变不确定性，这是有限元分析技术面临的挑战。
因此，有必要对橡胶弹簧的力学行为进行有限元分析以确定材料性能和尺寸影响，研究不同的材料参数以及不同的尺寸参数对橡胶弹簧性能的影响，以期获得良好的性能和可靠性，为现代机械系统的设计提供有效的参数分析。
首先，有限元分析需要建立一个有效的数学模型，以描述橡胶弹簧的力学特性。
建模时，需要充分考虑在不同尺寸变化以及不同的材料参数下的影响，如橡胶的硬度、松紧度等，以及在承载荷重下的应力应变变化。
考虑到橡胶弹簧的非线性特性，需要将橡胶弹簧的应力应变关系式描述为一个非线性模型，以准确反映橡胶弹簧的弹性变形能力。
其次，有限元分析需要建立一个有效的方程组，以涵盖不同材料参数和尺寸参数的影响，以及材料与环境变化。
在模型建立之前，需要确定有限元分析所需的各参数，包括材料参数、尺寸参数、环境变量、荷载及其变化等。
建立有限元分析方程组后，再进行数值求解，以得到详细的有限元结果，并分析橡胶弹簧的力学行为，如应力应变关系、延伸率等。
最后，基于有限元分析结果，进行有关参数的分析，如材料参数、尺寸参数及其变化的影响等，以及环境变化的影响等。
通过模拟分析，结合弹簧实际应用情况，得出最佳的设计参数。
通过以上研究，可以有效地了解橡胶弹簧的力学行为，并为现代机械系统的设计和应用提供全面的参考依据。
未来，有限元技术将成为研究橡胶弹簧的关键技术，为实际应用提供有效的参考参数。
综上所述，通过建立一个有效的数学模型、建立一个有效的方程组和对参数进行分析，可以有效地利用有限元分析方法研究橡胶弹簧的力学行为，以期取得良好的性能和可靠性，为现代机械系统的设计提供有效的参数分析参考。
基于ANSYS的接触弹簧有限元分析
ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ａ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｅｓｉｇｎ；ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
图４为不同载荷子步的变形结果。从图４中可以 看出在卡头压进卡座 的 过 程 中，卡 头 和 卡 座 都 产 生 了 弹性变形。
图５为第８载荷 子 步 位 移 等 值 线 图、摩 擦 应 力 等 值线图和等效应力等值线图。 ２．２ 耦 合 完 成 后 的 残 余 应 力 等 值 线 图
图６为耦合完成后的残余应力等值线图。从图６
ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｒｃｅｎｔｉｌｅ ｗｅｒｅ ｃｈｏｓｅｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ｍｏｄｅｌ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０３－００３３－０２
Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．
基于 ＡＮＳＹＳ的接触弹簧有限元分析
高雪琴
（中北大学 机电工程学院，山西 太原 ０３００５１）
摘要：在对接触问题分析的基础上，利用 ＡＮＳＹＳ软件的接触分析能力，对弹簧卡 头 压 进 卡 座 的 力 学 过 程 进 行了分析。首先根据已知数据对结构建模，然后通过加载、求解等步骤读取载荷子步的计算结果及变形形 状，最终得出水平位移以及竖直位移和压下位移的关系曲线图，并对结果进行了分析。 关键词：接触分析；弹簧；有限元 中 图 分 类 号 ：ＴＨ１３５∶ＴＢ１１５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
钢板弹簧简化模型有限元分析
湖北汽车工业学院Hubei Automotive Industries Institute分析计算说明书课程名称车辆工程专业课程设计设计题目钢板弹簧简化模型的有限元分析班级 T843-2 专业车辆工程学号 20080430232 学生姓名杨强指导教师（签字）起止日期2011年 12 月 19 日- 2011 年 12 月 30 日2012年 2 月 20 日- 2012 年 2 月 24 日目录1 引言 (3)2设计要求 (3)3 分析所用数据 (4)4 分析过程 (4)4.1简化模型一的分析过程 (4)4.1.1模型的建立及网格划分 (4)4.1.2 加载与求解 (6)4.1.3 收敛性分析 (12)4.2简化模型2的分析过程 (14)4.2.1建模 (14)4.2.2网格划分 (14)4.2.3加载与求解 (15)4.2.4简化模型二的优化设计 (18)5 课程设计的心得体会 (22)6 参考文献 (22)钢板弹簧简化模型的有限元分析1 引言钢板弹簧是汽车非独立悬挂装置中常用的一种弹性元件。
其作用是传递车轮与车身之间的力和力矩，缓和由于路面不平而传递给车身的冲击载荷，衰减冲击载荷所引起的振动，保证车辆的行驶平顺性。
钢板弹簧结构简单，维修方便，成本低廉，在悬挂系统中可兼起导向作用，因此得到极为广泛的应用，其疲劳特性与阻尼特性对车辆行驶的可靠性和安全性有重要意义。
本文对钢板弹簧简化模型结构进行有限元分析，弄清楚其应力分布的规律。
采用各种网格对模型对模型划分，并作出了比较，计算了模型的最大misses应力和变形，用对称结构进行了计算，用目标驱动优化功能对模型做了结构优化设计。
2设计要求图2.1如图2.1所示钢板弹簧的简化模型，受力情况如上，要求：（1）采用四面体，六面体及自由方式进行网格划分，计算各情况的钢板弹簧三维简化模型的最大misses应力，变形和安全系数；（2）采用二维单元计算模型的最大misses应力，变形；利用结构的对称性对二维模型进行计算；（3）若钢板弹簧简化模型改为图2.2，分析结构的三维简化模型的最大misses应力，变形和安全系数；图2.2（4）利用参数化研究与目标驱动的优化功能对结构进行优化设计；3 分析所用数据（1）板长900mm，宽250mm,厚25mm；（2）材料弹性模量211Gpa，泊松比0.3；（3）左右两侧各受到大小4500N的集中力；（4）中部沿宽度方向受到铅垂方向的约束；4 分析过程4.1简化模型一的分析过程：4.1.1模型的建立及网格划分：模型的建立如图4.1所示图4.1（1）采用solid187（10 Node Quadratic Tetrahedron）对模型网格划分：(单元大小：5mm) 得到节点数：206919 单元数：129894 如图4.2所示图4.2（2）采用六面体网格划分：所用到的单元为：Solid187（10 Node Quadratic Tetrahedron）Solid186（20 Node Quadratic Hexahedron）Solid186（20 Node Quadratic Wedge）Solid186（20 Node Quadratic Pyramid）得到的节点数：112079 单元数：24151 如图4.3所示图4.3（3）采用扫掠方式划分：所用到的单元：Solid186（20 Node Quadratic Hexahedron）Solid186（20 Node Quadratic Wedge）得到节点数：111485 单元数：23535 如图4.4所示图4.44.1.2 加载与求解采用四面体单元进行分析计算如下：（1）约束及加载如下：两个集中力加载在两个尖角的线上，固定支撑在底面的线上如图4.5所示图4.5求解结果如图4.6所示：位移图：最大位移3.245mm图4.6应力图如图4.7所示：最大应力960.02Mpa图4.7（2）上述结果应力值较大，出现了奇异，最大应力的部位均位于两个尖角处，且区域很小，分析可能是与实际的工况不符合，加载方式不合实际，改进如下：将中间的固定约束施加在中间整个面上，再进行求解如下：得到结果如下所示：位移图如图4.8所示：最大位移2.2374mm应力图如图4.9所示：最大应力960.02 Mpa图4.9（3）可以看出应力并没有变化，可能是两端的集中力的施加位置不合实际，考虑到钢板弹簧两端和各有一个卷耳，套在U型螺栓上，故集中力应施加在一个区域上，由一定的面积来承受此力，想到将此集中力施加在两个边角处，具体操作通过添加一个印记面来实现，如下图所示：三角形的底边长50mm，如图4.10所示图4.10网格划分采用四面体，size设置为5mm，约束低面的一条线固定支撑，集中力加载在两个印记面上：求解后最大应力为162.74Mpa,应力图如图4.11所示，应力减小较多，可见两个集中力的影响较为显著。
钢板弹簧刚度特性的有限元分析
钢板弹簧刚度特性的有限元分析newmaker1 前言钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件，刚度是其重要的物理参量。
因此，在产品试制出来之前，如何更准确的计算其实际刚度就成为大家共同关心的问题。
传统的计算方法，如“共同曲率法”和“集中载荷法”等均存在一定的局限性，在计算中往往需要加入经验修正系数来调整计算结果。
随着计算机的发展，有限元法因其精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到板簧的设计中。
邹海荣等应用有限元法分析了某渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题，提出了避免此种断裂的改进措施。
胡玉梅等针对某汽车后悬架的钢板弹簧应用Ansys 软件分析了其静态强度特性，给出了钢板弹簧在不同载荷作用下的应力分布，计算结果与试验符合的较好。
谷安涛则讨论了应用有限元法设计钢板弹簧的一般流程，给出了设计的示例。
有限元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态，因而可以部分代替试验，指导精确设计。
汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。
应用有限元法进行分析时需要考虑大变形及接触，即需要同时考虑几何非线性和状态非线性，这将使得计算不容易收敛，因而需要较高的求解技巧及分析策略。
本文采用Nastran的非线性分析模块分析了某钢板弹簧的刚度特性，讨论了摩擦对其性能的影响，其分析流程及结果可以为同类型产品的设计提供参考。
2 钢板弹簧刚度的计算方法传统的计算方法有“共同曲率法”和“集中载荷法”。
此外，国内学者郭孔辉针对共同曲率法中存在的固有缺陷，提出了一种称为主片分析法的计算方法，田光宇等则针对集中载荷法的固有缺陷，提出了改进的集中载荷法。
这些方法的出发点都是把板簧各片看成是等截面的悬臂梁，不考虑板簧各片之间的摩擦和板簧变形过程中的大变形特性，采用经典梁公式计算第1叶片的端点挠度，进而求得板簧的刚度。
2.1共同曲率法共同曲率法由前苏联的帕尔希洛夫斯基提出，其基本假设为板簧受载后各叶片在任一截面上都有相同的曲率，即把整个板簧看成是一变截面梁，由此推出对称板簧的刚度计算公式如下：2.2集中载荷法集中载荷法的基本假设为板簧各叶片仅在端部相互接触，即假定第i片与第i-1片之间仅有端部的一个接触点，接触力为Pi，并且在接触点处两相邻叶片的挠度相等。
基于ANSYS的多股螺旋弹簧有限元分析
基于ANSYS的多股螺旋弹簧有限元分析多股螺旋弹簧是一种常见的弹性元件，广泛应用于机械、汽车、电器等领域中。
以ANSYS为工具，对多股螺旋弹簧进行有限元分析，可以对其设计及优化提供有效的参考与支持。
首先，构建多股螺旋弹簧的三维有限元模型。
根据弹簧的几何参数、材料力学参数和工作条件等信息，选用ANSYS的建模工具进行三维建模，并设定合适的边界条件和荷载条件。
在建立有限元模型时，要注意弹簧的真实形态和装载方式，并合理划分网格，以保证有限元模型的准确性和稳定性。
然后，进行多股螺旋弹簧的静态力学分析。
根据弹簧的工作条件和载荷情况，分别对弹簧的应力、位移、变形等静态特性进行分析和计算。
在分析时，可以通过改变弹簧的材料和结构参数，对其静态特性进行改善和优化。
比如，可以选用高强度材料或改变弹簧的钢丝直径、扭簧半径等参数，以提高弹簧的抗压性能和疲劳寿命等特性。
最后，进行多股螺旋弹簧的动态力学分析。
根据弹簧的工作状态和作用频率，分别对其自由振动频率、谐振响应、阻尼特性等动态特性进行分析和计算。
在分析中，需要考虑弹簧的非线性特性和各种干扰因素，以保证分析结果的准确性和可靠性。
综上所述，基于ANSYS的多股螺旋弹簧有限元分析，可以全面有效地评估和优化弹簧的静态和动态力学特性，提高其设计和制造质量，为实际工程应用提供有力的支持。
多股螺旋弹簧的有限元分析需要考虑的数据包括弹簧的几何参数、材料力学参数、荷载条件和边界条件等。
几何参数包括螺线圈数、螺旋角、弹簧直径、钢丝直径、螺旋圈高、扭簧半径等。
这些参数直接影响弹簧的力学特性和寿命，对其性能评估和优化具有重要影响。
比如，增加螺线圈数会使弹簧更柔软，但增大直径会使其更硬；增加钢丝直径会增加强度，但也会增加质量和成本。
材料力学参数包括弹簧的材料密度、弹簧系数和屈服强度等。
这些参数反映了弹簧材料的特性，直接影响弹簧的抗拉、抗压能力和疲劳寿命等。
比如，增加屈服强度会使弹簧更耐用，但也会增加制造成本。
基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析
基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析作者：徐建全郑永陈铭年来源：《海峡科学》2010年第12期[摘要] 采用APDL参数化有限元分析技术，对某轻型载货汽车的前钢板弹簧进行参数化建模。
应用ANSYS软件的非线性模块，考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、片间接触和摩擦等多种非线性因素，建立了钢板弹簧的有限元模型，得到了钢板弹簧在不同载荷作用下的变形和应力分布。
[关键字] 钢板弹簧；有限元分析；ANSYS；接触单元引言钢板弹簧是历史最悠久的汽车部件之一，它结构简单、保养维修方便、制造成本低，与其它弹性元件比较，不仅起着弹性元件的作用，而且也能起着导向元件的作用，并且能传递各种力和力矩，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，因此是目前汽车悬架特别是货车悬架广泛采用的一种弹性元件[1]。
长期以来，用于刚度计算及应力分析的方法主要有两种:共同曲率法和集中载荷法。
前者假设板簧受载后各簧片在同一截面上都具有相同的曲率，后者假设板簧各片仅在端部相互接触。
但这两种假设都与实际不完全相符,因此计算结果和实际相差较大[2-3]。
本文应用ANSYS 有限元软件对钢板弹簧进行有限元分析，应用点-面接触单元划分板簧片之间可能的接触面，对板簧两端的卷耳、中心螺栓和U型螺栓的约束做了合理的模拟，尽可能的按照实际受载情况对钢板弹簧加载，计算的结果与实际的更加接近。
1 钢板弹簧的有限元建模1.1 钢板弹簧有限元几何模型的建立本文所分析的某轻型载货汽车的前钢板弹簧由10片板簧组成，具体尺寸如表1所示。
其中，片宽都是70 mm，第1与第2片厚度为8 mm，第3片到第10片厚度为7 mm。
1.2 钢板弹簧的材料属性在几何模型建立后进行材料属性的定义，钢板弹簧的材料为60CrMnBa，弹性模量为2.05×105 MPa，泊松比为0.3，屈服极限为1 100 MPa，抗拉强度为1 250 MPa。
1.3 钢板弹簧的网格划分采用ANSYS软件中的SOLID95实体单元进行网格划分，它是SOLID45 (3维8节点)高阶单元形式，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好，SOLID95有20个节点，每个节点有3个自由度(X,Y,Z方向)，此单元在空间的方位任意，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。
基于ANSYS的汽车弹簧有限元分析
基于ANSYS的汽车弹簧有限元分析有限元模型建立首先通过外部三维软件建立汽车模型的三维几何模型模型，如下图所示。
通过ansys的几何结构将几何模型导入至ansys中，用于后续的有限元分析如下图所示，几何模型中保留了弹簧的完整结构，同时保留了与弹簧两端配合的部分减震器的假体部分，方便结构的约束和加载。
因为在实际分析过程中，随着压力的增大，弹簧会被压缩，会发生自接触的现象，所以为了更好的表征弹簧的自接触，对弹簧进行了实体建模，同时保留了如弹簧配合安装的减震器部分假体，弹簧表面都是曲面，为了更好的体现结构特征，弹簧采用了四面体网格划分，减震器假体部分采用了六面体网格划分，单元类型选用solid185最终网格数量为32134，节点数量为11500。
有限元模型如下图所示载荷约束模拟真实情况，在下端的减震器假体的下表面施加固定约束，上端的减震器假体的上表面施加载荷，模拟弹簧被压缩的过程。
同时为了防止弹簧受力不均匀被压歪，所以在上端的减震器假体的上表面施加了一定的位移约束，放开表明的轴向位移，约束水平面内的位移，如下所示结果分析弹簧在不同时刻的位移云图，明显可以看出弹簧被不停的压缩。
弹簧每圈之间的间隙逐渐变小，其中第一圈和第二圈最早发生接触。
剪应力计算结果，如下为XY方向剪应力云图，随着弹簧被压缩，剪应力也变大，但是最大发生区域基本没变，都是在弹簧内侧，而且明显要比外侧的应力要大。
这些区域都是应力敏感区域。
结论：通过有限元分析可知，弹簧在压缩过程中，第一圈和第二圈最早接触，弹簧每圈之间的间隙逐渐减小，弹簧的刚度也逐渐变大。
同时弹簧内侧的剪应力明显要大于弹簧外侧，在压缩过程中，剪应力的大小发生了变化，但是最大发生位置并没有太大改变。
弹簧有限元分析ppt课件
FZ = 32251.17
•
MX = 117118.0
MY = -20644.15
MZ = -0.8699030E-02
• 转K2外圆弹簧图纸QZC85-00-02中标注的此时的纵向载荷FZ =35594.8N。计算可得等效应 力见图5。可见，最大等效应力为1491MPa(理论计算结果为1612.23MPa)。
考虑接触时72.8mm位移下的 接触压力
考虑接触时的接触压力变化
W-11
弹簧疲劳寿命分析
W-12
弹簧的动态特性研究
W-13
转K2外圆弹簧静应力测试
W-14
1
2
( tt
bb )2
4
2 tb
1 2
(259 69)2 4 800.52 1612.23MPa
W-8
有限元应力计算
• 底面约束三个方向所有线位移，顶面沿纵向施加图纸规定的强迫位移72.79mm，计算所得 约束反力为：
•
FX = 0.4804281E-03
FY = 0.3961747E-03
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主要内容
•1. 有限元模型建立 •2. 刚度计算 •2.1 纵横向刚度理论计算 •2.2纵横向刚度有限元分析 •3. 应力分析 •3.1 设计应力计算 •3.2 有限元应力计算 •4. 弹簧压缩变形的数值仿真 •5 接触应力的影响
•6. 弹簧疲劳寿命分析 •6.1 疲劳寿命计算公式 •6.2 转K2外圆弹簧疲劳寿命分析 •7. 弹簧的动态特性研究 •7.1理论计算公式 •7.2弹簧模态分析 •附录 弹簧有限元分析命令流文件 •1 弹簧有限元分析 •2 考虑接触时的命令流
1 2 (t t b ) 2 b 4 t 2 b 1 2 ( 2 6 5 ) 2 4 9 9 8 . 5 2 0 10 . 2 6 M 3 1P 2a
W-8
有限元应力计算
• 底面约束三个方向所有线位移，顶面沿纵向施加图纸规定的强迫位移72.79mm，计算所得 约束反力为：
•
FX = 0.4804281E-03
W-9
弹簧压缩变形的数值仿真
计算时将弹簧底面施加固定约束，顶面 设置按时间逐渐增大的位移，分析总时间设 为72.8s，计算时间分为25步，总压缩量为 72.8mm，每步压缩量为72.8/25=2.912mm。 分析中仅考虑静力影响。
W-10
接触应力的影响
• 由图6可见，支撑圈处簧条发生了嵌入，这与实际情况不符，要解决该问题必须 进行接触分析。计算时，模型离散为5223个节点，7810个单元，其中， SOLID45单元6628个，TARGE170单元238个，CONTA174单元944个。
考虑接触时72.8mm位移下的 接触压力பைடு நூலகம்
考虑接触时的接触压力变化
W-11
弹簧疲劳寿命分析
W-12
弹簧的动态特性研究
W-13
转K2外圆弹簧静应力测试
W-14
FY = 0.3961747E-03
FZ = 32251.17
•
MX = 117118.0
MY = -20644.15
MZ = -0.8699030E-02
• 转K2外圆弹簧图纸QZC85-00-02中标注的此时的纵向载荷FZ =35594.8N。计算可得等效应 力见图5。可见，最大等效应力为1491MPa(理论计算结果为1612.23MPa)。
W-2
该模型共 6436个节点 ，7348个 SOLID45 实 体单元。
有限元模型
W-3
刚度计算
纵横向刚度理论计算 纵横向刚度有限元分析
W-4
纵横向刚度理论计算
W-5
纵横向刚度有限元分析
W-6
设计应力计算
W-7
转k2型转向架承载外圆弹簧设计应力
当P=35244.4时 ，将表1中弹簧的 有关参数代入以上 各式可得