使用仿真 App 设计与分析螺旋弹簧

2020年 8月 21日

压缩弹簧被广泛应用于各个行业,尽管它们的使用历史悠久,但其设计却极具挑战。为了使设计弹簧的任务更加简单,Veryst Engineering 公司使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App 开发器开发了一个仿真 App。该仿真 App 基于严格的有限元分析能够提供一些必要的设计信息。

使用仿真 App 自动设计螺旋弹簧

螺旋弹簧几乎用于每个行业,从医疗设备到汽车和飞机,从玩具和消费品到工业产品,都有它们的身影。每个工程师都熟悉“通用”的螺旋弹簧——实际上,您可能曾在工程培训期间还设计过一个。

典型的螺旋弹簧的照片
螺旋弹簧示例。

尽管我们使用螺旋弹簧将近数百年,但是螺旋弹簧的设计非常复杂。这种设计上的复杂性源于弹簧要求较多,包括几何形状限制、必要的刚度、材料选择和所需的寿命和成本。在某些情况下,不存在满足所有要求的弹簧:这是一个“过度约束”的设计的问题 。

考虑到这种复杂性,COMSOL 的认证顾问Veryst Engineering 公司开发了一个仿真应用程序(即仿真 App)。该仿真 App 使设计弹簧变得更加容易,并基于一个预先封装好的仿真 App 中的严格有限元分析提供了必要的设计信息。

螺旋弹簧设计仿真 App 的基本信息

如下图所示,Veryst 仿真 App 允许设计人员输入弹簧的几何外径、长度、导线直径和匝数。仿真 App 用户可以指定材料属性或从常用材料的下拉菜单中选择;还可以添加最大允许应力,以提供弹簧破坏时加载周期的近似估计;此外,用户还可以选择网格密度并计算弹簧特性。该仿真 App 将计算弹簧的响应,直到完全压缩或达到极限拉应力的百分比(先发生者为准)。

The user interface for the helical spring simulation app built by Veryst, which has inputs for the spring geometry and materials.
指定弹簧的几何形状和材料特性的用户输入界面。

螺旋弹簧仿真 App 的复杂功能

该仿真 App 可以分析常见的弹簧几何形状,包括端部具有不同直径的锥形弹簧。该仿真 App 具有三个版本:

  1. 版本 1 要求弹簧为纯螺旋形(即,开口端弹簧)
  2. 版本 2 允许弹簧具有扁平(或封闭)的端部,其中弹簧的端部平行且扁平
  3. 版本 3 是“简化”版本,用于简化纯螺旋弹簧的线性分析

弹簧的几何模型示例如下所示。除了弹簧端部类型和为了模拟闭合弹簧所需的自接触之外,前两个版本是相同的。封闭式弹簧仿真 App 程序的运行时间比开放式弹簧运行时间长约5倍,这是因为在弹簧线圈内模拟自接触会增加复杂性。

仿真App中提供的一个锥形弹簧几何形状选项。
仿真App中提供的一个两端开口的螺旋弹簧几何形状选项。
仿真App中提供的一个带有封闭端的螺旋弹簧几何形状选项。

仿真 App 中提供的几何形状的示例,包括锥形弹簧(左端显示为封闭的端部,未显示开放的端部);两端开口的螺旋弹簧(中);以及带有封闭端的螺旋弹簧(右)。

该仿真 App 的版本1 和版本2 都会自动运行下面四个分析:

  1. 特征频率
  2. 线性压缩
  3. 非线性压缩
  4. 屈曲

与这些“标准”版仿真 App 相比,“简化”版本仅对弹簧进行了简化的线性分析。这虽然减少了计算时间,但限制了输出结果数量。下面列出的输出和绘图适用于两个标准版本。

螺旋弹簧设计仿真 App 的输出

螺旋弹簧仿真 App 评估了许多弹簧属性,包括:

  • 弹簧常数
  • 基于解析公式的弹簧常数可用作比较
  • 径向膨胀
  • 弹簧质量
  • 第一、第二和第三自然频率
  • 屈曲载荷
  • 最大载荷
  • 最大位移至完全压缩
  • 最大主应力和 von Mises 应力
  • 解析应力预测以进行比较
  • 根据解析公式估算的失效周期

该仿真 App 可生成以下绘图:

  • 第一、第二和第三振动模式
  • 弹簧变形
  • Von Mises 应力云图
  • 载荷与压缩曲线
  • 径向膨胀与压缩曲线
  • 最大 von Mises 应力与压缩曲线

使用仿真 App 模拟的一个螺旋弹簧界面,显示了弹簧的属性和主应力线。
计算的弹簧特性和 von Mises 应力云图。

Veryst 弹簧仿真 App 中的弹簧属性表。
Veryst 弹簧仿真 App 中的弹簧属性表

您可以在 Veryst 的 LinkedIn 页面上观看螺旋弹簧仿真 App 的简短视频介绍。

螺旋弹簧仿真 App 的价值

螺旋弹簧仿真 App 提供的任何值或绘图都不是特别难于计算或估计。但是,该仿真 App 提供了灵活且易于使用(且严格)的有限元分析的价值,该分析可以捕获难以通过手册计算估算出的几何形状,同时还提供了与每种分析几何和材料相关的大量工程价值。因此,仿真 App 使设计师的工作变得更简单了。

Veryst Engineering 为客户开发一些 App 用于有一定难度但又要定期进行的分析,这些分析需要一些普适的工程资源。该螺旋弹簧仿真App提供了一个非常简单的示例,展示了 Veryst 公司如何使用 COMSOL Multiphysics 中的 App 开发器功能使工程设计简单明了。

关于作者

Riccardo Vietri 是 Veryst Engineering 的工程师。Vietri 先生拥有哈佛大学机械工程学士学位。他的经验包括广泛的机械测试、原型设计、建模、仿真和产品开发。他的研究涉及用于平流层科学气球实验(SCoPeX)的复合飞行平台的原型设计和加工,包括对有效载荷的动态载荷进行建模,为有效载荷着陆期间的稳定性设计定制的复合外伸支架,以及建造各种专用固定装置执行定制的复合材料装配测试和材料表征。

Vietri 先生拥有使用 COMSOL Multiphysics® 软件、 ABAQUS® 和 SOLIDWORKS® 进行有限元分析、仿真和三维建模的专业知识。

ABAQUS 是 DassaultSystèmesSimulia Corp.的注册商标。SOLIDWORKS 是 DassaultSystèmes 或其子公司在美国和/或其他国家的注册商标。


评论 (0)

正在加载...
浏览 COMSOL 博客