应用Abaqus_Explicit模拟弹簧压缩过程

应用Abaqus/Explicit模拟弹簧压缩过程
袁登木 龙海强
(长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE所)
摘 要: 应用Abaqus/Explicit显示动态分析方法，模拟弹簧动态压缩过程，分析得到弹簧的动态接触特性，从而指导弹簧的结构设计。

关键词:Abaqus/Explicit，弹簧压缩，接触
1 概述
螺旋弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件。

按照传统方法设计，计算公式复杂。

若使用有限元方法，则能较直观地显示弹簧压缩变形全过程，且对该过程中的应力变化情况以及是否会产生并圈等设计禁忌一目了然。

弹簧的压缩试验示意图如图1所示。

Abaqus/Explicit显示动态分析，适于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。

而且，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效。

鉴于此，在进行模拟弹簧压缩的这种高度非线性接触的研究中，采用Abaqus/Explicit得到了比较好的效果。

图1 弹簧压缩试验示意图
2 有限元模型建立
在建立有限元模型时，考虑到计算的精度以及尽量减小模型的规模以提高计算的经济性，该模型采用六面体与五面体结合划分网格，有限元模型如图2所示，整个模型共155333个节点，130880个单元。

图2 弹簧压缩有限元模型图3 上压缩板位移移动比例随时间变化曲线
3边界条件
本计算模型试图模拟弹簧的压缩试验过程。

该试验中，弹簧置于压缩试验台上，由自由伸长状态压缩至设计的最大压缩状态。

试验过程中，弹簧上端及下端与试验设备完全靠摩擦力约束。

基于上述试验过程，在Abaqus中，约束底座移动及转动自由度，约束上压缩板转动自由度及2个移动自由度，施加竖直方向强制位移，其位移大小为最大压缩量，其位移变化过程如图3所示；定义2个接触对：底座与弹簧、上压缩板与弹簧；定义弹簧自接触；给定计算时间为2.0s。

4计算结果
模型经过Abaqus/Explicit显示运算，得到弹簧应力及压缩后的位移结果如图4所示。

在2.0s时，节点73870应力最大，为423.9MPa，该节点在压缩过程中的应力变化情况如图5所示。

从变形图上还可以看出，该弹簧在2.0s时已经出现了并圈。

图4 弹簧压缩应力及变形图图5 节点73870应力随时间变化曲线
5结论
通过上述分析实例可得出如下结论：
1、Abaqus/Explicit较好的模拟了螺旋弹簧的压缩过程，可得到包括应力、位移、是否接触等各种随时间变化的信息；随着经验的积累，可逐步取代相关试验，降低成本，提高效率。

2、通过再现弹簧的压缩过程，可帮助相关工程师更加直观、准确地理解与设计产品，达到一次性设计对的效果。

参考文献
[1] 庄茁等《Abaqus/Standard 有限元软件入门指南》清华大学出版社1998
[2] 陈静《应用Abaqus/Explicit模拟齿轮传动系统动态冲击过程》Abaqus用户论文集2007。