基于CATIA的弹簧有限元分析
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１ ２
２ １ 年第 ２期 ０２
新疆农机化
・ 发研 究 ・ 开
４
有 限元分析一般分为前处理 、 计算分析 、 后处理
三 个 阶段 ， 目前 主流 的有 限元 分析 软 件 为 Ａ Ｓ Ｓ ＮＹ 、
ｋ ＝
（） １
ｎ旦 ： ８ ＤＦ
（） ２
Ａ Ａ Ｕ 、ＤＮ Ｂ Ｑ ＳＡ Ｉ Ａ等 ，此类软件虽然拥有强大 的结 构分析能力 ， 但其建模能力有限 ， 并且对使用者有较 高的要求。 本文使用 Ｃ ＴＡ 自 Ａ Ｉ 身的有限元分析模块 进行分析 ，利用其强大 的参数化建模 功能 ，实现 Ｃ ＤＣ Ｅ在同一系统下完成 ， Ａ ／Ａ 可随时对弹簧外形尺 寸进行更改，同时避免了使用其他软件在数模转换
１ ＡＴ Ａ 软 件 简 介 Ｃ Ｉ
Ｃ ＴＡ是法 国达 索 公 司 与 ＩＭ 公 司联 合 开 发 ＡＩ Ｂ
的一套功能强大，模块齐全的 Ｃ ＤＣ ＥＣ Ｍ一体 Ａ ／Ａ ／Ａ
化软件 ， 功能 覆盖 了产 品设 计 的各个 方 面 ， 其 广泛 应
簧中径曲线 ， 然后进入零件设计模块 ， 构造出实体数
学模 型 ， 图 ２ 见 。
用于汽车 、 空航天 、 航 船舶 制造 、 向设 计 、 Ｃ加 逆 Ｎ 工、 厂房设计等行业 。Ｃ ＴＡ的各个模块基于统一 ＡＩ
的数 据平 台 ， 因此 Ｃ ＴＡ的各个 模块 存 在着 真正 的 ＡＩ
全相关性 ， 三维模型的修改 ， 能完全体现在二维 ， 以
及有 限元分 析 ， 具 和数控 加工 的程序 中 ， 模 达到缩 短 设计 生产 周期 、 提高产 品质 量及 降低 费用 的 目的。
尾轮升起 ， 使机具离开地面， 便于运输 。
（） ７ 该机作业后 的地块 ， 无需人工捡拾残秆 ， 节 省了劳力。 翻埋腐烂后的残秆可改善土壤结构 ， 培肥
地力。
５ 使 用效 果
（） １ 茎秆粉碎后 的茬 口高度小 于 ８ｃ 茬 口整 ｍ，
齐， 无参差不齐现象 ， 合格率达 ９ ％。 ８
过 程 中可 能 产生 的数 据异 常 ，简 化 了 Ｃ Ｅ操 作 步 Ａ
式中： 一 弹簧刚度 （ ／ ｍ） 一 工作载荷下的变 Ｎｒ ； ａ ， 形量 （ ｍ）／一 弹簧的有效圈数 ； ｍ ； １ Ｇ一 切变模量
（ ａ ，５ ＭＰ ）６Ｍｎ为 ７ ｘ０ ＭＰ ； ８ １ ａｄ一 截 面 直 径 （ ｍｍ） ；
（ ）粉 碎 后 茎 秆 长 度 小 于 １ ｍ， 调 查 无 卡 ２ ０ｃ 经 犁卡 耙现 象 ， 格率 ９ ．％。 合 ７３ （） ３ 抛撒 均匀 不起堆 ， 均匀度 小 于 １ ￣。 不 ０ ６ ／ ｏ
（） ４ 动力 消耗 小 ， 均油 耗在 ０５ｋ／６ ｍ 。 平 ． ｇ ７ ６
按需横 向螺旋状配置在刀轴上 ，减少了行间无苗处 的风阻， 降低 了动力消耗 ， （） ３ 刀片刃 口 处采用合金镀层 ， 增加耐磨性 ， 可
翻面使 用 ， 长 了刀 片的使 用寿命 。 延
（ ）自适 应 摆动 尾轮 机构 的仿 形作 业 效果 非 常 ５ 好 ，同时能抵 消作业 过程 中因地面 不平 而造成 的部
采棉机割 台变速箱采用牙嵌式安全离合器 ， 其 要求在传递扭矩为 ２０Ｎ ｉ 时 ， ５ ・ ｎ 离合器能及时脱开 而不发生故障， 按照离合器及其布置要求 ， 弹簧压缩
量 为 ４ｍ 压缩 载荷 为 ３０ ０Ｎ ｍ， ０ 。
弹簧设计 的难点在于确定弹簧 的刚度 ，运用 Ｃ ＴＡ的建模及有限元分析模块 ， ＡＩ 对压缩弹簧的受
・
开 发研 究 ・
新疆农机化
２ １ 年第 ２ ０２ 期
基于 Ｃ ＴＡ的弹簧有 限元分 析 ＡＩ
伯德 富 ， 俭 ， 鞠 孙利峰 ， 河江 姚
（ 疆机 械研 究 院股 份 有 限公 司 ， 疆 乌 鲁 木 齐 ８０ １ ） 新 新 ３０ ２
中 图分 类 号 ： ２ ０３ 文 献标 识码 ： ￥２． Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ７ ８ （０ ２ ０ — ０ ２ ０ １ ０ — ７ ２ ２ １ ）２ ０ １ — ２
力情 况进 行 了分 析 ，得 到弹簧 压缩 变形量 与受 力 的 对 比关 系数据 ， 与试验 结果进 行对 比 ， 到 了较为 并 得 满 意的结 果 。对 弹 簧设计 有一定 的参考价 值 。
根据弹簧工作条件 ， 初步确定弹簧外形尺寸为 ：
弹簧 中径 ５ ５ｍｍ， 料 截 面直 径 （１wenku.baidu.com ｍ， 材 Ｉ ３ｍ 总高 为 ）
６ ｍ， ３ｍ 总圈数 ３ ５ 两端圈并 紧， ．， ７ 每端磨平 ３ ／ ， ４圈
见 图 １ 进人 Ｃ ＴＡ 创 成式 曲面设 计 ” 块 ， 。 Ａ Ｉ“ 模 绘制 其 螺 旋 角 与 高 度 变化 关 系 曲线 ， 用 Ｌ ｗ命 令 ， 义 使 ａ 定 弹 簧 径 向方 向为 ｘ轴 ， 系 曲线 为 Ｙ 轴 ， 制 出 弹 关 绘
Ｄ一 弹簧 中径 ｍ ）Ｆ 弹簧工作载荷（ ） ｍ ；一 Ｎ。 经计算得弹簧参数为 ：弹簧刚度 ｋ７ ０Ｎｍ ＝ ５ ／ ｍ， 与有 限元分析结果相差 ０ ２ ． ％；有效圈数 ｎ ２ ３ ９ ＝． ， ２
（） ４ 新型 自适应摆动尾轮结构 ， 采用橡胶轮胎 ， 有效改善 了装备对农 田复杂地表状况 的适应性 ， 提
分振动。 同时该机在地头转弯时可不用升起 ， 操控性
好。
高 了机具仿形能力 ， 降低 了行走阻力 ， 改善了尾轮工 作条件 ， 提高了工作 的可靠性 。
（） ６ 该机运输状态时 ， 拖拉机后悬挂装置可将
２ 建 模
图 １ 弹 簧 结 构 图 ２ 弹 簧 建 模
收稿日 ２１ ０— 期： ２ ２１ ０～ ６
・
３ 有 限元 分 析
一 —
一 ＿
＋ － ＋
－－ 一 ＋ － —一 —一 ＋ ＋
－＋－－ —一 —一 ・
过高 ， 易造成设备抖动。
（ ）针 对 兵 团高 密 度 植 棉 的特 点 ， 字 形 刀 片 ２ 人
２ １ 年第 ２期 ０２
新疆农机化
・ 发研 究 ・ 开
４
有 限元分析一般分为前处理 、 计算分析 、 后处理
三 个 阶段 ， 目前 主流 的有 限元 分析 软 件 为 Ａ Ｓ Ｓ ＮＹ 、
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（） １
ｎ旦 ： ８ ＤＦ
（） ２
Ａ Ａ Ｕ 、ＤＮ Ｂ Ｑ ＳＡ Ｉ Ａ等 ，此类软件虽然拥有强大 的结 构分析能力 ， 但其建模能力有限 ， 并且对使用者有较 高的要求。 本文使用 Ｃ ＴＡ 自 Ａ Ｉ 身的有限元分析模块 进行分析 ，利用其强大 的参数化建模 功能 ，实现 Ｃ ＤＣ Ｅ在同一系统下完成 ， Ａ ／Ａ 可随时对弹簧外形尺 寸进行更改，同时避免了使用其他软件在数模转换
１ ＡＴ Ａ 软 件 简 介 Ｃ Ｉ
Ｃ ＴＡ是法 国达 索 公 司 与 ＩＭ 公 司联 合 开 发 ＡＩ Ｂ
的一套功能强大，模块齐全的 Ｃ ＤＣ ＥＣ Ｍ一体 Ａ ／Ａ ／Ａ
化软件 ， 功能 覆盖 了产 品设 计 的各个 方 面 ， 其 广泛 应
簧中径曲线 ， 然后进入零件设计模块 ， 构造出实体数
学模 型 ， 图 ２ 见 。
用于汽车 、 空航天 、 航 船舶 制造 、 向设 计 、 Ｃ加 逆 Ｎ 工、 厂房设计等行业 。Ｃ ＴＡ的各个模块基于统一 ＡＩ
的数 据平 台 ， 因此 Ｃ ＴＡ的各个 模块 存 在着 真正 的 ＡＩ
全相关性 ， 三维模型的修改 ， 能完全体现在二维 ， 以
及有 限元分 析 ， 具 和数控 加工 的程序 中 ， 模 达到缩 短 设计 生产 周期 、 提高产 品质 量及 降低 费用 的 目的。
尾轮升起 ， 使机具离开地面， 便于运输 。
（） ７ 该机作业后 的地块 ， 无需人工捡拾残秆 ， 节 省了劳力。 翻埋腐烂后的残秆可改善土壤结构 ， 培肥
地力。
５ 使 用效 果
（） １ 茎秆粉碎后 的茬 口高度小 于 ８ｃ 茬 口整 ｍ，
齐， 无参差不齐现象 ， 合格率达 ９ ％。 ８
过 程 中可 能 产生 的数 据异 常 ，简 化 了 Ｃ Ｅ操 作 步 Ａ
式中： 一 弹簧刚度 （ ／ ｍ） 一 工作载荷下的变 Ｎｒ ； ａ ， 形量 （ ｍ）／一 弹簧的有效圈数 ； ｍ ； １ Ｇ一 切变模量
（ ａ ，５ ＭＰ ）６Ｍｎ为 ７ ｘ０ ＭＰ ； ８ １ ａｄ一 截 面 直 径 （ ｍｍ） ；
（ ）粉 碎 后 茎 秆 长 度 小 于 １ ｍ， 调 查 无 卡 ２ ０ｃ 经 犁卡 耙现 象 ， 格率 ９ ．％。 合 ７３ （） ３ 抛撒 均匀 不起堆 ， 均匀度 小 于 １ ￣。 不 ０ ６ ／ ｏ
（） ４ 动力 消耗 小 ， 均油 耗在 ０５ｋ／６ ｍ 。 平 ． ｇ ７ ６
按需横 向螺旋状配置在刀轴上 ，减少了行间无苗处 的风阻， 降低 了动力消耗 ， （） ３ 刀片刃 口 处采用合金镀层 ， 增加耐磨性 ， 可
翻面使 用 ， 长 了刀 片的使 用寿命 。 延
（ ）自适 应 摆动 尾轮 机构 的仿 形作 业 效果 非 常 ５ 好 ，同时能抵 消作业 过程 中因地面 不平 而造成 的部
采棉机割 台变速箱采用牙嵌式安全离合器 ， 其 要求在传递扭矩为 ２０Ｎ ｉ 时 ， ５ ・ ｎ 离合器能及时脱开 而不发生故障， 按照离合器及其布置要求 ， 弹簧压缩
量 为 ４ｍ 压缩 载荷 为 ３０ ０Ｎ ｍ， ０ 。
弹簧设计 的难点在于确定弹簧 的刚度 ，运用 Ｃ ＴＡ的建模及有限元分析模块 ， ＡＩ 对压缩弹簧的受
・
开 发研 究 ・
新疆农机化
２ １ 年第 ２ ０２ 期
基于 Ｃ ＴＡ的弹簧有 限元分 析 ＡＩ
伯德 富 ， 俭 ， 鞠 孙利峰 ， 河江 姚
（ 疆机 械研 究 院股 份 有 限公 司 ， 疆 乌 鲁 木 齐 ８０ １ ） 新 新 ３０ ２
中 图分 类 号 ： ２ ０３ 文 献标 识码 ： ￥２． Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ７ ８ （０ ２ ０ — ０ ２ ０ １ ０ — ７ ２ ２ １ ）２ ０ １ — ２
力情 况进 行 了分 析 ，得 到弹簧 压缩 变形量 与受 力 的 对 比关 系数据 ， 与试验 结果进 行对 比 ， 到 了较为 并 得 满 意的结 果 。对 弹 簧设计 有一定 的参考价 值 。
根据弹簧工作条件 ， 初步确定弹簧外形尺寸为 ：
弹簧 中径 ５ ５ｍｍ， 料 截 面直 径 （１wenku.baidu.com ｍ， 材 Ｉ ３ｍ 总高 为 ）
６ ｍ， ３ｍ 总圈数 ３ ５ 两端圈并 紧， ．， ７ 每端磨平 ３ ／ ， ４圈
见 图 １ 进人 Ｃ ＴＡ 创 成式 曲面设 计 ” 块 ， 。 Ａ Ｉ“ 模 绘制 其 螺 旋 角 与 高 度 变化 关 系 曲线 ， 用 Ｌ ｗ命 令 ， 义 使 ａ 定 弹 簧 径 向方 向为 ｘ轴 ， 系 曲线 为 Ｙ 轴 ， 制 出 弹 关 绘
Ｄ一 弹簧 中径 ｍ ）Ｆ 弹簧工作载荷（ ） ｍ ；一 Ｎ。 经计算得弹簧参数为 ：弹簧刚度 ｋ７ ０Ｎｍ ＝ ５ ／ ｍ， 与有 限元分析结果相差 ０ ２ ． ％；有效圈数 ｎ ２ ３ ９ ＝． ， ２
（） ４ 新型 自适应摆动尾轮结构 ， 采用橡胶轮胎 ， 有效改善 了装备对农 田复杂地表状况 的适应性 ， 提
分振动。 同时该机在地头转弯时可不用升起 ， 操控性
好。
高 了机具仿形能力 ， 降低 了行走阻力 ， 改善了尾轮工 作条件 ， 提高了工作 的可靠性 。
（） ６ 该机运输状态时 ， 拖拉机后悬挂装置可将
２ 建 模
图 １ 弹 簧 结 构 图 ２ 弹 簧 建 模
收稿日 ２１ ０— 期： ２ ２１ ０～ ６
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３ 有 限元 分 析
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一 ＿
＋ － ＋
－－ 一 ＋ － —一 —一 ＋ ＋
－＋－－ —一 —一 ・
过高 ， 易造成设备抖动。
（ ）针 对 兵 团高 密 度 植 棉 的特 点 ， 字 形 刀 片 ２ 人