CN104008235A - 弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

一种弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法，采用计算机进行的分析方法是：1)定义参数；2)分段建立螺旋曲线：采用方程式的方式分段建立螺旋曲线；3)扫描成形；4)弹簧端面磨平；5)CAD模型转化为CAE模型；6)建立刚度分析的有限元模型；7)分析计算及结果。利用CERO建立了参数化模型，使建模速度提高了20倍以上。三维模型将弹簧端圈进行了细化，能够快速准确的调整弹簧形状，并能够实现与现场CNC数控程序对接。此方法首次在热卷螺旋弹簧领域应用虚拟样机进行性能试验，对于性能要求较高的弹簧，能够将弹簧的试制周期缩短30％，试制成本降低40％。

Description

弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法

技术领域

本发明属于机械零部件精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法，特别涉及一种弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法。

本方法提供了碾尖弹簧精细参数化建模的方法，以及将建立的CAD模型转化为CAE模型，运用CAE有限元分析软件对此模型进行刚度测试的分析方法。

技术背景

螺旋弹簧设计一般规定弹簧总圈数及有效圈数，不同的支撑圈与有效圈的过渡会使弹簧力学特性产生较大差异，为满足弹簧设计要求，在工艺设计时，通常采用物理样机试验验证的方法，即根据经验试制出1～2个样件，然后进行性能测试，如果不合格，根据经验进行矫形，然后再进行性能测试，矫形后仍不满足性能要求的要重新试制，如此反复，直至试制出合格的产品。受经验水平及其它相关条件限制，工艺设计精度较低，产品返修量较大。随着各行业技术的快速发展，对弹簧的要求也越来越高，仅靠以前的经验很难快速的试制出满足性能要求的弹簧。为了缩短新产品的试制周期，降低新产品的试制成本，有必要利用虚拟样机对其进行性能测试，即在工艺设计前确定出符合性能要求的弹簧形状。

发明内容

本方法是根据目前热卷螺旋钢弹簧试制的技术状况，提供一种虚拟的分析方法，利用虚拟样机代替原来的物理样机进行性能测试，在工艺设计初期利用CAD和CAE相结合的方式确定出符合性能要求的弹簧形状，即利用CERO建立理想弹簧的参数化模型，然后将此模型转化为CAE模型，进行弹簧性能分析。并依此为依据，进行弹簧工艺设计，从而提高弹簧工艺设计水平。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法，其特征在于：

1)定义参数：

设置参数料径＝d、中径＝zd、尖部厚度＝h、自由高＝H0，将弹簧分为17段，参数定义为N1～N17，其相应的推进螺距定义为T1～T17，

2)分段建立螺旋曲线：

采用方程式的方式分段建立螺旋曲线，以建立第一段螺旋线为例，其方程

$\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_1*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_2*360))\\ z=t_1*n_1*t\end{array}\right.,$

采用来自方程的曲线建立螺旋线。依此建立17段螺旋线，螺旋线参数化方程 $\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_i*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_i*360))\\ z=t_i*n_i*t\end{array}\right.$

3)扫描成形：

将17段螺旋线合并成一条螺旋线，采用扫描方式成形，

4)、弹簧端面磨平：

对于弹簧上端面，拉伸切除的基准平面距FRONT面的距离L＝d/2-h(尖部厚度)，对与下端面拉伸切除的基准面距上端基准面的距离定义为自由高H0。弹簧最终模型如图5所示。

5)、CAD模型转化为CAE模型：

将建立好的三维参数化模型保存为IGS格式，用MSC.Marc有限元分析软件导入此模型，导入后的CAE模型；

6)、建立刚度分析的有限元模型：

将压力试验机的简化为两个平面，用LOADCONTROL方式对上平面进行加载，模型如图7所示。在此分析模型中，定义弹簧为柔性体，上下平面为刚体，弹簧和平面之间的接触关系为粘接(G)，弹簧自身定义为接触(T)。

7)、分析计算及结果：

建立好CAE模型并提交计算，上平面所受的力与上平面Z方向的位移的比值即为弹簧的刚度；

弹簧刚度 $K=\frac{93750-76700}{164.1-139.8}=701.6N/\mathrm{mm}.$

上述分析方法是采用计算机进行的

本发明有益效果：

此方法能够在产品设计阶段预知符合性能要求的弹簧形状，用于指导热卷螺旋钢弹簧的成形工艺参数的确定，缩短产品的试制周期，降低产品的试制成本。本方法适用于热卷螺旋圆柱钢弹簧的工艺设计，属于热卷螺旋钢弹簧的虚拟制造技术。

本发明相比现有技术有如下优点：

1、利用CERO建立了参数化模型，使建模速度提高了20倍以上。

2、三维模型将弹簧端圈进行了细化，能够快速准确的调整弹簧形状，并能够实现与现场CNC数控程序对接。

3、此方法首次在热卷螺旋弹簧领域应用虚拟样机进行性能试验，对于性能要求较高的弹簧，能够将弹簧的试制周期缩短30％，试制成本降低40％。

附图说明

图1为计算机屏幕显示参数列表。

图2为计算机屏幕显示螺旋线参数化方程。

图3为计算机屏幕显示螺旋线。

图4为计算机屏幕显示扫描成形后的弹簧。

图5为计算机屏幕显示弹簧最终模型。

图6为计算机屏幕显示CAD模型转化为CAE模型。

图7为计算机屏幕显示刚度分析CAE模型。

图8为弹簧刚度曲线。

具体实施方式

一种弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法，(采用计算机进行的分析方法)

1)定义参数：

设置参数料径＝d、中径＝zd、尖部厚度＝h、自由高＝H0，将弹簧分为17段，参数定义为N1～N17，其相应的推进螺距定义为T1～T17，

2)分段建立螺旋曲线：

采用方程式的方式分段建立螺旋曲线，以建立第一段螺旋线为例，其方程

$\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_1*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_2*360))\\ z=t_1*n_1*t\end{array}\right.,$

采用来自方程的曲线建立螺旋线。依此建立17段螺旋线，螺旋线参数化方程 $\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_i*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_i*360))\\ z=t_i*n_i*t\end{array}\right.$

3)扫描成形：

将17段螺旋线合并成一条螺旋线，采用扫描方式成形，

4)、弹簧端面磨平：

对于弹簧上端面，拉伸切除的基准平面距FRONT面的距离L＝d/2-h(尖部厚度)，对与下端面拉伸切除的基准面距上端基准面的距离定义为自由高H0。弹簧最终模型如图5所示。

5)、CAD模型转化为CAE模型：

将建立好的三维参数化模型保存为IGS格式，用MSC.Marc有限元分析软件导入此模型，导入后的CAE模型；

6)、建立刚度分析的有限元模型：

将压力试验机的简化为两个平面，用LOADCONTROL方式对上平面进行加载，模型如图7所示。在此分析模型中，定义弹簧为柔性体，上下平面为刚体，弹簧和平面之间的接触关系为粘接(G)，弹簧自身定义为接触(T)。

7)、分析计算及结果：

建立好CAE模型并提交计算，上平面所受的力与上平面Z方向的位移的比值即为弹簧的刚度；

弹簧刚度 $K=\frac{93750-76700}{164.1-139.8}=701.6N/\mathrm{mm}.$

1、定义参数

设置参数料径＝d、中径＝zd、尖部厚度＝h、自由高＝H0，将弹簧分为17段，参数定义为N1～N17，其相应的推进螺距定义为T1～T17，如图1所示。

2、分段建立螺旋曲线

采用方程式的方式分段建立螺旋曲线，以建立第一段螺旋线为例，其方程如图2所示，采用来自方程的曲线建立螺旋线。依此建立17段螺旋线，如图3所示。

3、扫描成形

将17段螺旋线合并成一条螺旋线，采用扫描方式成形，如图4所示

4、弹簧端面磨平

对于弹簧上端面，拉伸切除的基准平面距FRONT面的距离L＝d/2-h(尖部厚度)，对与下端面拉伸切除的基准面距上端基准面的距离定义为自由高H0。弹簧最终模型如图5所示。

5、CAD模型转化为CAE模型

将建立好的三维参数化模型保存为IGS格式，用MSC.Marc有限元分析软件导入此模型，导入后的CAE模型如图6所示。

6、建立刚度分析的有限元模型

将压力试验机的简化为两个平面，用LOADCONTROL方式对上平面进行加载，模型如图7所示。在此分析模型中，定义弹簧为柔性体，上下平面为刚体，弹簧和平面之间的接触关系为粘接(G)，弹簧自身定义为接触(T)。

7、分析计算及结果

建立好CAE模型并提交计算，上平面所受的力与上平面Z方向的位移的比值即为弹簧的刚度，如图8所示。

弹簧刚度 $K=\frac{93750-76700}{164.1-139.8}=701.6N/\mathrm{mm}.$

Claims (1)

1.一种弹簧精细参数化建模及性能测试的有限元分析方法，其特征在于：

1)定义参数：

设置参数料径＝d、中径＝zd、尖部厚度＝h、自由高＝H0，将弹簧分为17段，参数定义为N1～N17，其相应的推进螺距定义为T1～T17，

2)分段建立螺旋曲线：

采用方程式的方式分段建立螺旋曲线，以建立第一段螺旋线为例，其方程

$\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_1*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_2*360))\\ z=t_1*n_1*t\end{array}\right.$

采用来自方程的曲线建立螺旋线。依此建立17段螺旋线，螺旋线参数化方程 $\left\{\begin{array}{c}x=(\mathrm{zd}/2)*\cos (t*(n_i*360))\\ y=(\mathrm{zd}/2)*\sin (t*(n_i*360))\\ z=t_i*n_i*t\end{array}\right.$ 3)扫描成形：

将17段螺旋线合并成一条螺旋线，采用扫描方式成形，

4)、弹簧端面磨平：

对于弹簧上端面，拉伸切除的基准平面距FRONT面的距离L＝d/2-h(尖部厚度)，对与下端面拉伸切除的基准面距上端基准面的距离定义为自由高H0。弹簧最终模型；

5)、CAD模型转化为CAE模型：

将建立好的三维参数化模型保存为IGS格式，用MSC.Marc有限元分析软件导入此模型，导入后的CAE模型；

6)、建立刚度分析的有限元模型：

将压力试验机的简化为两个平面，用LOADCONTROL方式对上平面进行加载，模型；在此分析模型中，定义弹簧为柔性体，上下平面为刚体，弹簧和平面之间的接触关系为粘接(G)，弹簧自身定义为接触(T)；

7)、分析计算及结果：

建立好CAE模型并提交计算，上平面所受的力与上平面Z方向的位移的比值即为弹簧的刚度；

弹簧刚度 $K=\frac{93750-76700}{164.1-139.8}=701.6N/\mathrm{mm}.$