弹簧压缩屈曲稳定性数值模拟_陆华.pdf

第 18卷 第 2期2009年 6月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVo.l 18No.2Jun.2009文章编号:1006-0871(2009)02-0057-03弹簧压缩屈曲稳定性数值模拟陆?华1,?鞠进贤1,?王水平1,?郑百林2(1.海军驻上海电站辅机厂 军事代表室,上海?200090;2.同济大学 航空航天与力学学院,上海?200092)摘?要:为研究弹簧失稳变形时的特性,采用有限元法,考虑到弹簧内部限制失稳构件的刚性和柔性特点对弹簧失稳后弹射力产生的影响,对弹簧限制失稳现象进行数值分析.结果表明,弹簧弹射力失稳程度较小时,弹射力与理想弹射力相差较小;随着压缩距离的增加,失稳变形程度逐渐增大,弹射力的损失也逐渐增大;由于刚性约束构件比柔性约束构件对弹簧的约束更紧密,所以其弹射力损失较小.关键词:弹簧;屈曲;稳定性;数值模拟;有限元法中图分类号:O317;TB115?文献标志码:ANumerical si mulation on buckling stability ofspring co mpressionLU Hua1,J U Ji nxian1,WANG Shuiping1,ZHENG Bailin2(1.NavalRepresentative Office,ShanghaiPower StationAuxiliary EquipmentWorksCo.,Ltd.,Shanghai 200090,China;2.College ofAerospace Eng.&AppliedM echanics,Shanghai200092,China)Abstract:To study the characteristicsof spring while losing stability,the finite elementmethod isused tofulfill the numerical si mulation of confined instability of spring.In the si mulation process,the influenceof the rigid and flexible character of the internal confined instability components on ejection force afterspring instability is considered.The results indicate that the loss of ejection force is small when theinstability is smal;l w ith the increase of the compression distancethe instability defor mation and the lossof ejection force increase gradually;the constraint of rigid constrained components is stricter than the oneof flexible constrained components,so the loss of ejection force of the spring w ith rigid constrainedcomponents is smaller.Key words:spring;buckling;stability;numerical si mulation;finite elementmethod收稿日期:2008-10-08?修回日期:2009-03-17作者简介:陆?华(1962?),男,江苏吴江人,高工,硕士,研究方向为数值分析,(E-ma il)snack720 0?引?言弹簧是 1种机械零件,它利用材料的弹性和结构特点,使其在产生和恢复变形时能够起到缓冲和减震、储存能量以及控制运动等作用,在机械使用中非常重要.1-2弹簧又往往是机构中变形最复杂的构件.工程上对密圈弹簧进行压缩强度、刚度和稳定性计算时,为简化计算而忽略弹簧螺旋角的影响,对于螺旋角较大的疏圈弹簧,其受压失稳时的弹簧长度与原长度相比相差甚远,此时在进行强度、刚度和稳定性计算时就不能忽略弹簧变形,必须考虑到螺旋角的影响.3-6?本文所分析的弹簧两端由弹簧上、下套固定,内部穿有 1根细杆,外部套有 1个套筒限制其变形.这图 1?弹簧机构简图套弹簧机构见图 1.弹簧上端完全固定于套筒上端.细杆由动力上提,带动弹簧下套向上运动,致使弹簧压缩变形.撤除细杆向上动力后,细杆由弹簧弹射力及其自身重力返回原来位置.下套对弹簧起到定位的作用,与细杆之间有间隙,可以发生一定程度的倾斜.下套受弹簧屈曲失稳影响,与细杆有较大的挤压作用.弹簧为细杆的下落提供较大下推力,使细杆在较短时间内顺利落下.同时,由于弹簧的长细比较大,受压时容易发生屈曲失稳.弹簧发生屈曲时失去承载力,但在本机构中,由于弹簧安装在套筒内,受到套筒内壁对弹簧的约束作用,得以能够继续承载和工作.1?弹簧压缩分析有限元模型由于工作中弹簧实际被安装在套筒内,压缩到高位时受到套筒内壁的约束.另外,弹簧压缩时始终受到弹簧下套的固定和限制,所以机构运作过程中弹簧的变形相当复杂.为考虑下套和套筒对弹簧变形的影响,提取弹簧?下套?套筒系统进行分析.弹簧有效圈数为 64圈,有效长度为 1 088mm,螺距为 17mm.弹簧中径为 54mm,弹簧簧丝截面为圆形,直径为 6mm.采用控制压缩位移的方式压缩弹簧,最后的压缩距离为 585 mm.限制弹簧屈曲位移的构件包括下套和套筒.下套的下端与弹簧固结,细杆提升后与下套接触,进而压缩弹簧.下套尺寸见图 2.套筒内径为 62 mm,套筒长度为 520 mm.所以弹簧与套筒内壁半径仅相差 1 mm,见图 3.弹簧刚度为 1.574 3N/mm,理想弹簧被压至 585mm 时,弹射力为 921N.图 2?弹簧以及弹簧下套尺寸?图 3?套筒尺寸?根据套筒和弹簧长度,可明显看出初始未压缩状态时,部分弹簧在套筒外.考虑到下套的约束作用,分别根据下套是否变形的 2种情况建立有限元分析模型.2.1?刚性下套在弹簧?下套?套筒系统中,套筒硬度很高,在进行有限元分析时可以直接将其设定为刚性接触面,而弹簧下套的硬度偏低,有必要分析和讨论其刚性体和柔性体两种情况.首先将下套作为刚性体对待,分析模型见图 4.下套作为 1个竖直刚性体处理,不能偏转.由于细杆不与弹簧直接接触,当将下套处理为刚性体时,其对弹簧的屈曲变形没有影响,所以分析模型中不予考虑.(a)刚性下套分析模型(b)弹簧局部的有限元模型(局部 a)(c)弹簧与下套接触部分的有限元模型(局部 b)图 4?刚性下套,弹簧?下套?套筒系统模型2.2?弹性体下套实际工作中的下套下端与弹簧固定.弹簧可随着下套在套筒约束范围内摆动.将下套作为柔性可变形体对待,可以考虑下套在套筒内的晃动对弹簧变形的影响,同时考虑到细杆对下套的约束作用,有必要在计算模型中加入细杆的影响.计算模型见图5,套筒仍处理为刚性体.与刚性下套的有限元分析模型相比,下套由刚性改为柔性并加入细杆对下套的约束作用.为了模拟弹簧的最后几圈固定在下套上的实际安装情况,如图 5所示,取弹簧最后 1圈,将其与弹簧下套底部端面用刚性连接多点约束相连(MPC)共同连接到 1个独立节点上.采用 MPC可以保证最后 1圈弹簧与下套底部端面具有相同位移.在独立节点上施加位移约束,实现对弹簧的提升和挤压.58计?算?机?辅?助?工?程?2009年?(a)柔性下套分析模型(b)弹簧局部的有限元模型(局部 a)(c)弹簧与下套接触部分的有限元模型(局部 b)(d)下套与弹簧采用 MPC 固结(局部 c)图 5?柔性下套,弹簧?下套?套筒系统模型2?结果比较与刚性下套相比,柔性下套最主要的区别在于下套与细杆的接触作用.由于刚性下套不能侧向晃动,因此不会与细杆接触.由于柔性下套可左右晃动,因此对弹簧约束作用相对减小,弹簧变形程度可能会增大,进而影响弹簧的弹射力,具体见图 6 8.图 6?理想弹簧与发生限制失稳的弹簧弹射力比较图 7?刚性下套、套筒与弹簧的水平接触力图 8?柔性下套、套筒与弹簧的水平接触力?从图 6可以看出,由于弹簧发生限制失稳,尽管其在约束构件的作用下能继续承载,但其弹射力会有损失.同时表明,由于发生限制失稳,弹簧实际的弹射力比理想弹簧要小,随着压缩距离的逐渐增大,理想弹簧与实际发生失稳的弹簧弹射力差值也逐渐增大.刚性下套模型与柔性下套模型相比,柔性下套分析模型中弹簧的弹射力损失更大.这主要是由于柔性下套可以发生摆动,对弹簧的约束作用要小于刚性不发生摆动的下套,所以导致柔性下套模型中弹簧的变形相对剧烈,弹射力损失更大.从图 7和 8中套筒的接触力大小也可以看出,当弹簧未失稳时,套筒与弹簧不接触,当弹簧失稳后,套筒与弹簧接触,接触力随压缩距离的增大而发生较大变化.刚性下套模型中,下套约束作用更为明显,弹簧变形较小,弹簧与套筒的接触力也较小,但变化较为剧烈;而由于柔性下套的约束作用较弱,弹簧的变形空间相对较大,弹簧与套筒的接触力数值也相对较大,但接触力变化相对平缓.4?结?论通过对弹簧?下套套筒系统压缩过程的分析,比较刚性下套和柔性下套对弹簧弹射力的影响以及对弹簧与约束构件之间接触力的影响后发现,实际上长弹簧在受压发生限制失稳时,其弹射力要小于按理想弹簧计算得到的弹射力.弹射力损失的大小与弹簧受到的约束是否紧密及变形的空间大小有关,当弹簧受到的约束作用较强、允许其变形的空间较小时,弹射力损失较小,与约束构件接触力也较小,但突变较大;当其受到的约束较弱时,其弹射力损失较大,与构件之间的接触力也较大,但变化较为平缓.(下转第 72页)59第 2期陆?华,等:弹簧压缩屈曲稳定性数值模拟函数加载虚线(hidden)和点划线(center).(3)利用图层、颜色及线型设置接口函数,建立绘图时所需的可见轮廓线层、不可见轮廓线层、中心线层、尺寸标注层和文字注写层等,并设置各图层的颜色和线型.(4)利用绘图接口函数,编写参数化绘图模块,根据墩台类型、构造尺寸和计算结果数据文件绘制墩、台图.(5)设置字体样式,包括字体、字高和宽度因子等.(6)按照制图国标的规定,用 DI M _VAR(scale,txth,tszh,exe,exo)自定义函数设置尺寸变量,用DI MH(p1,p2,p3)和 DI MV(p1,p2,p3)自定义函数标注水平和竖直尺寸,用函数 TEXT(str,p,t h,angle)注写其他标注和设计说明等.(7)在 AutoCAD中显示图形,进行适当编辑后从绘图机输出.4?用户菜单设计(1)外部命令调用.AutoCAD状态下的命令为内部命令,而 AutoCAD以外其他软件编译后的可执行文件(.exe)为外部命令.在 AutoCAD状态下可调用 DOS或 W indows操作系统的可执行文件,调用方法如下:?,*其中:?Command na m e?为 AutoCAD下调用的命令名;?DOS request?为在 DOS或 W indows环境下的可执行命令;?Bit flag?为二进制标志,可为 0,1,2,3,4和 5,设置为不同的值则会有不同的响应;?Prompt?为命令提示.7结构分析程序的可执行文件用这种格式添加到 acad.pgp中,就可在 AutoCAD环境下加载和运行,进行结构分析计算.(2)菜单设计.由于 AutoCAD是开放式结构,所以可在标准菜单 acad.mnu中建立新的下拉菜单区*POP13,添加结构计算和各绘图模块菜单项,快捷方便地调用各功能模块,实现结构设计的计算和自动化绘图.设计代码为?*POP13?静载验算 CCdead_load?活载荷组合验算 CC load_combination?绘桥墩图 CCauto_dra wpier?绘桥台图 CCauto_dra wAbut ment?5?结束语参数化绘图在有规律的工程结构设计中被广泛应用.利用 VC+和 ObjectARX对 AutoCAD进行二次开发,建立图形实体的接口函数、图层线型颜色的设置函数、尺寸标注和文本注记函数.运用这些接口函数开发各绘图模块,为高效准确地绘制桥墩、桥台和混凝土构件设计图及计算模型图、配筋图提供自动化绘图工具,提高工程设计速度和出图质量.这些软件已在一些设计部门中发挥良好作用,取得一定经济效益.该参数化绘图方法对从事结构 CAD软件开发的工程技术人员具有一定借鉴和参考价值.参考文献:1?胡江民,张其林.管桁架设计软件开发 J.计算机辅助工程,2008,17(2):43-45.2?杨永华,吴杰,张其林,等.基于 Object ARX的钢结构施工过程 CAD软件 J.计算机辅助工程,2008,17(1):42-46.3?老大中,赵占强.AutoCAD 2000 ARX 二次开发实例精粹(ObjectARX)M.北京:国防工业出版社,2001:75-82.4?程耀东,赵建昌,徐军.图形数据库应用技术研究 J.工程图学学报,2006,26(1):143-148.5?余承飞,方勇编.AutoCAD 2000二次开发技术(ObjectARX)M.北京:人民邮电出版社,1999:101-110.6?张洪明,张立翔,杨红,等.基于 AutoCAD的水工 CAD系统研制 J.工程图学学报,2004,24(4):146-149.7?程耀东,王小平,张丽萍,等.计算机绘图教程 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