【《回位弹簧有限元三维建模及疲劳寿命分析案例》5500字】

回位弹簧有限元三维建模及疲劳寿命分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u9487回位弹簧有限元三维建模及疲劳寿命分析案例 页回位弹簧有限元的疲劳寿命仿真设计分析有限元的静力学有限元的网格划分及其单元选择由于回位弹簧结构相对简单，两端长臂圆钩环、螺旋圆柱形状。为能较好地模拟回位弹簧应力分布特性，应按实际尺寸精确度量地划分回位弹簧单元，该单元划分质量可获得准确的计算结果。为了获得更好的六面体质量网格,回位弹簧设为三角形网格(图4.2)。图4.2回位弹簧二维单元在图中为这些有限元三维单元中那些基本设置，其中单元尺寸为所用弹簧的基本尺寸。所以在这一时间点上单元尺寸尺寸为2mm。接着对以上图表进行网格质量检查,经检查可得网格质量系数为comp.QI=0.15，如图4.3所示。图4.3二维单元质量检查指标使用上述2D网格，质量检验合格后启动三维实体网格分割，3D网格分割完成后点击F10即可验证成功。然后使用Components命令来构建三维网格，这样就没有网格漏洞了。如下图4.4所示，3D回位弹簧三维实体单元。图4.4回位弹簧三维实体单元对3D网格的质量进行检查，结果见图4.5：图4.5回位弹簧三维实体网格质量上述网格中有15,866个实体单元和7,941个节点(见下文图4.6)。图4.6回位弹簧三维网格数量定义材料的属性在本次研究计算中，我们计算出的回位弹簧其材质为65Mn实体单元。然后再利用有限元法以MAT1（各向同性的材料模型）为目标单元进行仿真模拟分析。然后再对回位弹簧进行静力分析。其材料属性见表4.1。

表4.1材料力学性能材料抗拉强度（MPa）弹性模量（E/GPa）剪切模量（G/GPa）泊松比密度65Mn1470206790.2827.8x106回位弹簧材料属性的定义在HyperMesh中的cardimage面板完成的。在cardedit模块下定义所需的单元类型，赋予材料金属力学参数的值，课题的研究是在有限元的基础上，对回位弹簧做静力学分析，分析其弹性性能。所以在定义实常数的值不需要考虑到其他参数的设定，最终定义的回位弹簧有限元模型材料属性如图4.7所示。图4.7回位弹簧有限元模型材料属性载荷和约束的创建（1）创建"loadcollector",鼠标单击左侧标签栏imagcard,选择create>loadcollector,创建三个loadcollector并命名constraints、force和modes.如图4.8所示。图4.8回位弹簧载荷和约束创建示意图（2）创建约束constraints,如图4.9中看到的两个钩环中的每个钩环应创建固定约束。图4.9回位弹簧固定约束示意图刚性连接的创建（1）回位弹簧为圆柱形螺旋拉伸弹簧,其力以轴向拉伸为主。所以力被拉钩出来了，为了方便加载力，rigids被创建了。创建component(图4.10)1d存储回位弹簧force载荷。图4.10回位弹簧1d单元（2）在下面的面板菜单中,选择"1D"和"rigids"。图4.11。图4.11回位弹簧1d示意图（3）由面板图4.12显示。在图下角箭头中单击下三角符号并选择"calculatenode"。图4.12回位弹簧1d“rigids”如图4.13所示。图4.13回位弹簧1d“calculatenode”（4）单击弹簧中径的一个点,然后单击nodes(图4.14)。图4.14nodes示意图（5）单击"nodes"并勾选"byface",就可以选择弹簧中径圆柱面的全部位置，见图4.15。图4.15选中中径示意图（6）单击"create"完成回位弹簧中径。图4.16。图4.16创建成功示意图载荷力的创建创建一个回位弹簧极限负载以模拟正在运行的最大设备，并施加1107.4N。图4.17。图4.17创键极限工况下的受力情况创建模型的属性和工况（1）创建工况"loadstep",在左特征树区域(标签域)右键>"create">"loadstep"向"loadstrains"赋值创建载荷"forces"及约束"constrains"。图4.18。图4.18工况载荷分配对“OptiStruct”进行求解1)选择页菜单中的"Analysis"。。2)选择面板菜单中的“OptiStruct”。3)选择一个文件存放路径。隐藏掉实体及2D网格、显示3D及1D、"exportoptions"、"displayed"、"runopinion"选"analysis"。4)单击"OptiStruct",见图4.19。图4.19OptiStruct分析操作5)弹出HyperWorksSolverView窗口（图4.20）。单击“Results”查看仿真结果。图4.20OptiStruct运行显示结果分析首先，我们需要进入Resulttype面板，接着面板左侧的那块能改变工作中的状态，再点击其中的ZL工作条件，接着用下方的面板查看箱体应力如何分布，再点击Resultype查找其中Dispiacement右区域下三角形，再点击ElementStresses【2D&3D】，再点击Apply即可查看我们想要测试的回位弹簧基本变形情况，如下图4.21所示。图4.21回位弹簧应力分布情况因为为了对比弹簧不同部位表皮问题对弹簧工作时收应力产生的影响。因此为了对不同表面存在问题的弹簧进行不同零件的建模，就必须在ANASY中对不同弹簧进行静态有限元分析检测，如图4.22所示。回位弹簧工作时并不是刚开始就要移动，需要做适当的准备。回位弹簧其上端的那个圆钩称为固定端，其下端的圆钩称为主移动端，弹簧移动时方向与制动器摩擦片相同。我们这只回位弹簧通过有限元法前还得先把弹簧加工一下，在弹簧上下两端加上一些限制，弹簧上部有六个自由度，弹簧下部有五个自由度。同时弹簧的上端应位于X轴，下端应位于Y轴。然后给予弹簧一个想要向Z轴移动的作用力来移动弹簧，这就是模拟制动器极限情况下回位弹簧。然后在弹簧下端增加了对Z轴方向的运动限制，可仿照回位弹簧在上述这些限制条件下的工作长度来获得回位弹簧应力分布情况，也可通过计算来获得回味弹簧运动过程中的应力场。图4.22回位弹簧不同部位的受力情况与正常回位弹簧在工作过程中应力场变化情况相比，不同部位表面缺陷弹簧工作在最大载荷条件下，最大应力值增加明显，且最大应力均位于表面缺陷处，弹簧静力学有限元分析结果说明了回位弹簧氧化前或氧化过程中表面产生了缺陷，这导致了裂纹的产生和扩展，最终在低频可变载荷下弹簧的疲劳失效,对于解决回位弹簧失效提出改进措施提供了一定的思路。分析回位弹簧的模态分析模态及其相关理论模态分析把线性稳态系统振动微分方程的笛卡尔坐标变换到模态坐标上，再把它分离成一系列用模态坐标和模态参数来描述的数学方程组来得到它的模态参数系统。其中模态矩阵在系统中的坐标会改变，每一列每一行都可能改变。而模态参数系统（MMI）时一非常重要之推测产品故障之方法，亦为物体结构之振动力特性之研究，此方法多应用于某些工程上会有振动之领域。模态分析中的模态就是指某些机械零件本身就具有一定的振动频率特性，并且，每个对象在模态作用下具有一定的频率值，阻尼比值和模态振型图。模态分析正是对这一切的分析。模态分析的目的在于利用结构零件本身所具有的模态正交性提取其本身所具有的自振性并由结构振动效果获得相应的振动模式。车辆行驶时会通过不同地段，制动器弹簧所受载荷也有所不同，例如制动性能在实际行驶情况中发生振动，在道路粗糙、普通情况不清等情况下制动部件频率有所增减等。由于回位弹簧自然频率产生的共振与其它动态载荷产生的共振频率相同或者类似，对回位弹簧拉伸收缩时的振动频率做了模态分析，分析了弹簧振动时产生何种冲击振动而产生疲劳。模态分析又是进行谐波响应及频谱分析的基础。分析回位弹簧的模态（1）创建"loadcollector"先单击该页左边的标签区域，再单击create查找其中的LoadCollector,并将其重命名为"modes"。随后将"Cardimage"更改为"EIGRL",并将"V1"中的设置替换为1,"V2"替换为6000,"ND"替换为10。正如图4.23所示。图4.23回位弹簧模态参数设定（2）模态工况的创建首先先要在页面的左面的特征的区域点击右键>>“create”>>”loadstep”，然后把“LodeStep”重新改名为“modes”，修改一下“Lodestep”它的基本设置。然后把“Analysistype”的设置修改成“Normalmodes”，最后再把SPC修改成“constraints”，就像图4.24所表示的一样。图4.24回位弹簧模态工况参数设定（3）以上中若要解决"OptiStruct",则可使其工作情况无法显示，只可看到"modes",再在"LoadCollector"上只可看到"SPC"及"modes".最后再在页面菜单上单击"Analysis",则可进入面板菜单，并在其中给出单击"Optistruct"即可。运行之后，如图4.25所示。图4.25回位弹簧模态工况结果运行回位弹簧模态分析结果最后于本次模态之分析振动频率中，再定义九阶段模态之频率振型图。HyperMesh对模态的分析不应该仅仅忽略某些内在因素，而应该忽略所有并非线性的要素，并将那些并非线性的单元在分析中给出假象为是线性方程。这些模态分析中所选用的那些2D,3D单元网格也有其工作情况，某些材料参数呀，这些定义与静力学分析时间相似。然后再利用ANSYS的EIGRA对回位弹簧进行模态分析，并在其中一个模块提取回位弹簧的9阶模态变形图，分析回位弹簧9阶模态振动的固有频率。如图4.26-4.34所示。图4.26回位弹簧一阶模态图4.27回位弹簧二阶模态振型图图4.28回位弹簧三阶模态振型图图4.29回位弹簧四阶模态振型图图4.30回位弹簧五阶模态振型图图4.31回位弹簧六阶模态振型图图4.32回位弹簧七阶模态振型图图4.33回位弹簧八阶模态振型图图4.34回位弹簧九阶模态振型图由上图可知，一到九阶的个个模态分析中知道了不同的状态下的整形图的形状，一阶的图反映的是在弹簧的左面的钩子被限制住运动时，它的那个固定的振动频率是左右出现小幅度的拉伸；二阶的图反映的是弹簧上端和下端被固定；三阶的图是反映了这个弹簧在运动时会左右的拉缩；四阶的图是反映弹簧在被压缩的时候会出现向外进行扩张拉伸的情况；五阶的图是反映了弹簧在受到力的作用的时候会向左右弯曲；六阶的图可以知道弹簧在受到力的作用时会向上弯曲；而七、八阶这两幅图大致类似，都是反映了弹簧在受到力的作用的时候有小部分可能会发生极度的弯曲；最后九阶的图当中可以知道回位弹簧在受到那些被集中到一起的应力时，会很容易的出现断裂现象。有限元数值分析总结本分析就是针对那些存在问题的地方对于其那些表面进行有限元分析。然后与正常回位弹簧进行对比，对比其两人在受到最大载荷及最大应力时，其位置及厚度是否有变化。并针对弹簧在模态激振频率下的振动呼声特性进行了重点研究，发现更多的弹簧表面色丢失弱点的直接结果缺陷点附近剪应力显着减小，弹簧循环使用频度显着增加和减少，蓄电池使用寿命缩短，证明所推断业绩承诺是合理的。本次对回位弹簧的有限元解析，分析中提出如何修正限制措施。该回位弹簧中长臂圆钩环型结构