基于ANSYS的圆柱螺旋弹簧的强度与疲劳寿命分析VIP

9 2 机 械 设计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 1 0期 2 0 1 0年 l 0月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 1 0 0 0 9 2 0 2 基于A N S Y S 的圆柱螺旋弹簧的强度与疲劳寿命分析 木 李红艳 山东理工大学 交通与车辆工程学院 淄博 2 5 5 0 9 1 S t r e n g t h a n d f a t i g u e l i f e an a l y s i s o f t h e c y l i n dr i c a l l y h e l i c a l s p r i n g b a s e d o n ANSYS LI Ho n g y a n D e p a r t m e n t o f T r a n s p o E n g i n e e r i n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Z i b o 2 5 5 0 9 1 C h i n a 一 l l l m 1 1 1 l l m l l m 1 l l l 1 l l l l 摘要 采用A N S Y S 的A P D L 语言建立起螺旋弹簧的几何模型 对考虑弹簧座的螺旋弹簧强度进 i行分析 计算结果表明限元分析结果和理论解高度一致 最大误差不超过0 3 另外 对螺旋弹簧的寿命进 j 行了有限元分析 也满足 3 H z 务件下工作4 0万次的疲劳寿命要求 j 关键词 圆柱螺旋弹簧 强度 疲劳寿命 i A b s t r a c t W i t h s p r i n g r e ta i n e r c o n s i d e r e d t h e m o d e l of t h e c y l i n d r i c a l l y h e l i c a l s p r i n g is e s t a b l i s h e d 2 w i t h A n s y s P a r a me t e r D e s i g n L a n g u a g e S t r e n g t h of t h e c y l i n d r i c all y h e l i c al s p r i n g i s a n aly s i s e d t h e s i mu l a i t i o n r e s u l t i n d ic a ts t h a t w h i c h i s h i g h l y c o n s is t e n t w i t h t h e th e o r y s o l u t io n t h e m a x i m lt m d iff e r e n c e d o e s n o t e x c e e d 0 3 I n a d d i t i o n t h e f at i g u e l if e i s a l s o r e s e a r c h e d w h i c h c a r t a l s o m e e t t h e n e e d t h at t h e h e l i c a l i s p r i n g c a n w o r k at l i m i t 4 0 0 0 0 0 t i m e s w i t h o u t f a t i g u e d a m a g e i K e y w o r d s C y l i n d r i c a l l y h e l i c a l s p r i n g S t r e n g h F a t i g u e l if e t tt tt t It t t tl l t t I t I I t II 1 1 I t I I I I t 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A J L 1日 lj吾 弹簧是汽车悬架系统中的关键零部件 它不仅能储存和释 放能量 而且能缓和冲击 消减振动等 为减少车辆行驶过程中产 生的有害振动 获得 良好的行驶平顺性 操纵稳定性和行驶安全 性 各种车辆都必须设有衰减和缓和振动的弹簧悬挂装置I l l 圆柱压缩螺旋弹簧由于结构简单 因此是车辆中最常用的 弹簧之一 其强度直接影响着车辆的运行性能和运行安全 因此 簧疲强度以及其寿命成为研究的重点 在弹簧的设计过程中 弹簧钢材的特性也对弹簧的强度及寿命至关重要目 考虑到弹簧 的工作特点 其失效形式主要是疲劳破坏 因此 本文对某型号的 圆柱螺旋弹簧的强度和疲劳寿命进行有限元分析 2 计算模型 根据后螺旋弹簧的工作实际 其上端安装在车身的弹簧座 内 下端安装在固定于后桥壳体的弹簧座内 承受垂直力的作用 以减缓对车身造成的冲击 起到支撑车身的作用 为合理模拟弹 簧的受力情况 在弹簧两端分别建立弹簧座 以保证该弹簧所承 受的力在垂直方向 弹簧端部的四分之三圈与弹簧座接触 主要 起支撑作用 圆柱螺旋弹簧的截面直径 d为 1 3 m m 中径 D为 1 0 3 m m 有效圈数 n为 8 4圈 自由长度为3 9 2 m m 建立的装配几 何模型见图 1 为保证计算结果的精确性 采用带中间节点的s o l i d 1 8 6六 面体单元进行划分 由于弹簧座主要起支撑车身的作用 可认为 弹簧座和弹簧之间是 B o n d e d接触关系 弹簧在受到外载作用后 被压缩变形 定义弹簧的自接触类型为 N o s e p a r a t i o n 建好后的 图 1圆柱螺旋弹簧的几何模型 图2圆柱螺旋弹簧的有限元模型 3 静态分析 由于要求弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限 足够 的韧性和塑性 良好的热处理性能 这里选用 6 0 S i 2 C r V A T钢 屈 服强度为 2 0 0 0 Mp a 剪切和扭转许用应力都大于9 5 0 Mp a 弹簧座 选用一般的钢材 3 1刚度计算 3 1 1 有限元解 弹簧工作时 在上 下支承圈平面上承受轴向载荷 因此 在 下支承圈平面上约束平动自由度 丽在上支承圈平面上施加轴向 强迫位移 根据弹簧刚度的定义 在上支承圈平面上施加单位轴 向强迫位移 计算所得约束反力就是弹簧的轴向刚度 有限元计 算得到弹簧的刚度为 3 0 7 5 N mm 3 1 2理论解 由圆柱螺旋弹簧的刚度计算公式 1 8 n D 式中G为剪切弹性模数 这里取 7 9 2 3 G p a 将弹簧的具体参数代 人式 1 得 K 3 0 8 2 N m m 2 可见 有限元结果和理论计算值非常接近 所建计算模型结 有限元模型 如图2所示 其中包括单元 7 9 0 5个 节点3 4 3 6 2 个 构合理 来稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 基金项 目 山东省 自然科学基 金资助项 目 Y 2 0 0 7 A 3 3 第 1 O 期 李红艳 基于A N S Y S 的圆柱螺旋弹簧的强度与疲劳寿命分析 9 3 3 2弹簧应力分析 3 2 1 有限元解 根据圆柱螺旋弹簧承受的极限载荷 P m a x 为 5 8 1 0 N 将其除 以弹簧刚度即得最大位移 l 8 8 6 4 ra m 3 在计算模型中施加该强迫位移 计算弹簧在静力作用下的 应力分布情况 如图 3 图 4 所示 分别给出了圆柱螺旋弹簧的等效应力和 剪应力分布情况 从应力分布可以看出 弹簧的最大应力为 1 8 0 2 Mp a 没有超过材料的屈服极限 弹簧的最大值位于弹簧的 第 2 个工作圈 除两端应力集中外 大部分应力在 1 5 0 0 Mp a以 内 分部 在弹簧 的内侧 圆柱螺旋 弹簧 的最 大剪应力 为 8 7 8 5 1 Mp a 位于第二圈簧丝横截面内侧点 也没超过材料的许用 剪应力 9 5 0 M p a 图 3圆柱 累 旋弹簧的等效应力图 Mp a 图 4圆柱螺旋弹簧的剪应力图 Mp a 3 2 2理论 解 螺旋弹簧在受到中心压力的作用时 在弹簧钢丝截面引起 两种剪应力 一种是直接由剪力产生的最大剪应力 r 另 一种由 力产生的扭矩引起的最大剪应力 r l 5 8 26 Mp a 7 2 8 22 61 Mp a 3 d 7 其中 卢 4 C 1 1 1 8 6为弹簧的曲度系数 C D 7 9 2 3为弹簧环绕比 由两种剪应力叠加得到最大剪应力为 r 1 w r z 8 7 9 4 5 M p a 4 弹簧弹簧在轴向载荷作用下引起的弯曲和扭转应力分别为 垦 7 8 2 4 4 M p a o l 5 37 1 9Mp 7 T 仃d 其中 2 2 2 9 6 t s i n a 1 1 3 式中 n 一 螺旋角 这里取 7 5 由应力设计公式 O e 一 O t 一 4 7 4 1 8 0 7 5 M p a 5 可见 有限元计算结果和理论解的非常接近 应力的最大误 差不超过 0 3 本文建立的有限元模型是合理的 有限元分析结 果具有非常高的计算精度 足以达到工程要求 如表 1 所示 表 1有 限元解和理论解的比较 4 疲劳寿命分析 4 1 材料的 S N曲线 弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限 足够的韧性和 塑胜 良好的热处理性能等 6 0 S i 2 C r V A T硅铬钒弹簧钢较以前常 用 6 0 S i 2 M n钢 不仅屈服和抗拉强度提高不少 抗扭转和剪切的 能力也大幅提高 故弹簧采用材料 6 0 S i 2 C r V A T钢 高循环疲劳 裂纹形成阶段的疲劳性能常以S N曲线表征 S为应力水平 N 为疲劳寿命 S随着 的变化关系 如图 5 所示 6 1 图5螺旋弹簧的 S N曲线 4 2疲劳分析 由螺旋弹簧的应力分布可以看出 弹簧的最大值位于弹簧 的第 2 个工作圈 取相应的应力最大值位置 节点 1 3 0 4 2 作为疲 劳分析对象 图 6疲劳分析结果 根据螺旋弹簧的疲劳寿命要求 在频率为 3 H z 的条件下至 少工作4 0 万次 因此 A N S Y S软件后处理的疲劳模块项输入相对 应的参数进行疲劳计算 得到如 图 6 所示 危险点的分析结果 如图6所示的分析结果可以看出 在此分析工况下 使用要求为 4 0 万次的使用系数为 0 0 3 6 9 7 能够满足使用要求 5结论 1 应力的有限元计算结果和理论解最大误差不超过 0 3 有限元的分析结果具有足够高的计算精度 2 弹簧极限载荷下 圆柱螺旋弹簧的等效应力不超过材料 的强度极限 可适当调整弹簧环绕比以进一步减缓应力集中 3 圆柱螺旋弹簧的危险部位位于在第二圈内侧 但仍满足 在频率为 3 Hz 的条件下至少工作4 0万次的疲劳寿命要求 参考文献 1张洪欣 汽车设计 北京 机械工业出版社 1 9 9 5 2 郝风翔 螺旋弹簧疲劳破坏的研究及其寿命估算方法的分析