基于ANSYS的圆柱螺旋弹簧的接触仿真研究

(３)
其中:λ＝HD２０;ξ＝HS０,S 为弹簧最大静载荷下的最大 静
耦合垂向位移,并施加最大垂向位移(１１８．０４５mm).
挠度,S＝KP垂 .
将相 关 数 据 代 入 式 (２)、式 (３)计 算 得:K横 ＝
５１．１０N/mm.
图 ３ 垂 向 力 与 垂 向 位 移 的 关 系
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ìïï σ＝ξîíïïξ－１＋
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．
施 加 固 定 约 束 ;选 取 模 型 顶 端 平 面 所 有 节 点 ,耦 合 垂 向
位移并施加一定的 垂 向 力. 共 进 行 ５ 次 运 算,并 对 得
到的垂向力和垂向位 移 进 行 一 次 拟 合,得 到 垂 向 力 与
垂 向 位 移 的 关 系 ,如 图 ３ 所 示 .
由图３可以得出该直线 的 斜 率 为 １１８．１７,即 该 弹
１ 计 算 模 型 该车辆转向架一系弹簧材料为６０Si２CrVAT 钢,材
料密度为７８００kg/m３,弹性模量 E＝２０６GPa,泊松比 为０．３,其几何参数为:弹簧簧丝直径d＝２１．６mm,弹簧 中径 D２＝１３４mm,总圈数n１＝９,有效圈数n＝７．２,自 由高度 H０＝３５５．７２mm,最大静载荷 P＝１２６８３N.

簧 的 垂 直 刚 度 为 １１８．１７ N/mm,与 理 论 计 算 结 果 误 差
约 为 ５％ ,证 明 该 模 型 结 构 合 理 .
２．２ 横 向 刚 度 求 解
横向刚度特性指弹簧所受横向力与横向位移之间的
关系,应用与求解垂向刚度同样的原理求解横向刚度.
圆柱螺旋弹簧横向刚度 K横 的理论计算公式为:
K横 ＝σ������K垂 ．
(２)
收 稿 日 期 :２０１８Ｇ０６Ｇ１３; 修 订 日 期 :２０１８Ｇ１１Ｇ０８ 作者简介:周凯林 (１９９３Ｇ),男,山东威海人,在读硕士研究生,研究方向:交通运输工程.
２０１９年第１期 周凯林,等:基于 ANSYS的圆柱螺旋弹簧的接触仿真研究
因 弹 簧 制 造 工 艺 的 要 求 ,弹 簧 两 端 并 紧 、磨 平 . 并 紧导致非均 匀 弹 簧 螺 距 (两 相 邻 簧 丝 中 心 线 距 离)现 象 ,即 弹 簧 两 端 端 部 的 螺 距 自 外 向 内 由 小 变 大 ,弹 簧 中 部 (工 作 圈 )的 螺 距 均 匀 分 布 . 磨 平 导 致 非 均 匀 簧 丝 截 面 现 象 ,即 两 端 部 簧 丝 截 面 小 且 渐 变 ,中 部 簧 丝 截 面 大 且均匀.图１为在 ANSYS中建立的弹簧实体模型.
摘要:在某城市地铁运营中存在车辆转向架一系圆柱螺旋弹簧非正常断裂的情况,结合现场测试数据,利用 ANSYS建立了弹簧的几何模型,对弹簧的刚度 (垂 直 刚 度、横 向 刚 度) 进 行 有 限 元 分 析 计 算, 并 与 理 论 分 析计算结果进行对比.同时,重点仿真分析了在车辆运行过程中可能存在的弹簧簧丝间的接触问题. 关键词:圆柱弹簧;刚度;接触;有限元分析;仿真 中 图 分 类 号 :TP３９１������７ 文 献 标 识 码 :A
０ 引 言 机车车辆弹簧不 仅 具 有 承 担 车 体、构 架 重 量 的 作
用 ,还 可 以 减 缓 线 路 对 车 体 与 轮 对 的 冲 击 ,从 而 减 少 线 路 对 构 架 的 冲 击 力 ,进 而 保 证 车 辆 安 全 平 稳 地 运 行 .
在某城市地铁车辆运营中发现,虽然其一系弹簧的 设计使用寿命为２００万公里,但部分弹簧在使用６万~ ７万公里 后 就 会 出 现 断 裂 故 障,结 合 后 期 现 场 测 试 结 果,怀疑在 车辆 运 行 过 程 中 弹 簧 存 在 簧 丝 接 触 ,进 而 导 致弹簧断裂.因此,本文对该型号的圆柱螺旋弹簧的刚 度和簧丝间的接触情况进行有限元仿真分析.
圆柱螺旋弹簧垂直刚度 K垂 的理论计算公式为:
K垂 ＝８GDd３２n４ ．
(１)
其中:G 为弹簧材料的剪切模量,G＝７９２３０ MPa.
将弹簧材料参数与 弹 簧 几 何 参 数 代 入 式 (１)计 算
得:K垂 ＝１２４．４４N/mm.
图 １ 弹 簧 实 体 模 型
图 ２ 网 格 划 分 模 型
在 划 分 网 格 时 ,为 保 证 计 算 精 度 ,并 结 合 计 算 机 的 硬件水平,网格类型选用 Solid４５,模 型 绝 大 部 分 使 用 六 面 体 划 分 ,部 分 使 用 四 面 体 划 分 . 同 时 ,考 虑 到 计 算 时间,在不 影 响 精 度 的 情 况 下,尽 可 能 地 控 制 模 型 规 模.模型划分网格后的节点总数为 ５１７０５ 个,单元总 数 为 ８９９１２ 个 . 图 ２ 为 网 格 划 分 完 成 的 模 型 . ２ 圆 柱 螺 旋 弹 簧 刚 度 有 限 元 分 析 ２．１ 垂 直 刚 度 求 解
当在弹簧垂直方 向 上 施 加 力 时,会 使 弹 簧 产 生 一
定 的 垂 向 位 移 ,通 过 改 变 施 加 的 垂 向 力 大 小 ,可 以 得 到
垂向位移与垂向力的 关 系 曲 线,该 曲 线 的 斜 率 就 是 弹
簧的垂直刚度.本文 在 进 行 有 限 元 分 析 时,对 弹 簧 模
型 进 行 如 下 前 处 理 :选 取 模 型 底 端 平 面 所 有 的 面 ,对 其
第 １ 期 (总 第 ２１２ 期 ) ２０１９ 年 ２ 月
机械工程与自动化 MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文 章 编 号 :１６７２Ｇ６４１３(２０１９)０１Ｇ００６０Ｇ０２
No．１ Feb．
基于 ANSYS的圆柱螺旋弹簧的接触仿真研究
周凯林,肖绯雄
(西 南 交 通 大 学 , 四 川 成 都 ６１００３１)