彈簧連接的CAE模擬

大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)由許多部件組成，因此，準(zhǔn)確地定義組件之間的交互對于準(zhǔn)確預(yù)測行為至關(guān)重要。對于大多數(shù)情況，在Ansys Mechanical中分析它們時(shí)，我們可以使用接觸來建立零件之間的關(guān)系。接觸元件根據(jù)指定的接觸行為在零件之間傳遞力，例如粘合、無分離、摩擦、無摩擦或粗糙。

然而，使用接觸的計(jì)算成本很高，因此，在某些情況下，我們希望以更有效的方式表示零件交互。例如，懸架系統(tǒng)、后軸、挖掘機(jī)臂等組件包括零件之間不同類型的動(dòng)力學(xué)行為，我們可以通過彈簧、梁連接和接頭等簡化連接來捕獲零件之間的交互，而無需通過接觸元素對詳細(xì)交互進(jìn)行建模。

在處理大型裝配體時(shí)，在零件之間使用此類動(dòng)力學(xué)約束是一種計(jì)算高效的方法。然而，新用戶一開始可能會(huì)發(fā)現(xiàn)彈簧(Spring)、梁(Beam)和接頭(Joint)的行為令人困惑。在本講座中，我們將幫助您了解差異以及何時(shí)使用這些連接而不是接觸。

彈簧、梁和接頭幫助我們整合連接的結(jié)構(gòu)特征，而無需進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)工程精度和效率的平衡。盡管這些連接簡化了零件之間的動(dòng)力學(xué)約束，但它比通過接觸對詳細(xì)零件進(jìn)行建模要有效得多。

在所有這些連接中，我們利用機(jī)械中的“遠(yuǎn)程點(diǎn)”(Remote Points)。本質(zhì)上，我們將要分析的幾何體的多個(gè)自由度減少到單個(gè)節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程點(diǎn)最多具有 6 個(gè)自由度 —三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)。

然后，我們可以使用彈簧、梁或接頭連接將兩個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)“連接在一起”。

這些連接可用于將兩個(gè)本體連接在一起(body-to-body)或?qū)⒁粋€(gè)本體連接到地面(body-to-ground)。如果是本體與地面連接，則一個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)位于本體上，而另一個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)接地。由于自由度降低，這些連接使得兩個(gè)部件之間連接更簡單但更有效。

讓我們先從彈簧連接開始。我相信大家一定見過彈簧，因?yàn)樗窃S多應(yīng)用中最常見的機(jī)械部件之一。

彈簧可以定義為一種彈性元件，它在受到負(fù)載時(shí)儲(chǔ)存能量，并在負(fù)載消除時(shí)恢復(fù)其原始形狀。當(dāng)彈簧在 Ansys Mechanical 中用作連接時(shí)，可提供一種簡化而高效的方法來對系統(tǒng)中的物理彈簧進(jìn)行建模。Spring 連接有助于減少預(yù)處理時(shí)間以及模擬組件中彈簧 3D 模型所涉及的計(jì)算成本。

在 Ansys Mechanical 中，彈簧可以定義縱向彈簧，其力的大小取決于線性位移。彈簧的重要特性之一是其剛度，其定義為彈簧抵抗所施加載荷的能力。對于縱向彈簧，剛度是在一個(gè)方向（即縱向）上定義的。

彈簧連接可用于將兩個(gè)本體連接在一起，或?qū)⒁粋€(gè)本體連接到地面。本體接地類型的連接可用于將零件與地面連接，或者將一個(gè)零件與另一個(gè)未包含在分析中但仍代表彈簧連接另一端的零件連接。

盡管彈簧連接可用于對系統(tǒng)中的實(shí)際螺旋彈簧進(jìn)行建模，但它也可用于對具有主要作用于一個(gè)方向的剛度的任何組件的行為進(jìn)行建模。例如，如果您想要對自行車剎車桿進(jìn)行線性應(yīng)力分析，而不對連接剎車桿和剎車片的線纜進(jìn)行建模，則仍然可以通過以彈簧連接的形式來解釋線纜的影響。

作為一名工程師，您可能有興趣了解彈簧兩端之間的伸長率或相對位移。這可以使用稱為彈簧探針(Spring Probe)的結(jié)果輕松確定。只需將彈簧連接拖放到結(jié)果樹上即可。這將自動(dòng)添加彈簧探針結(jié)果。

除了彈簧伸長率之外，您還可以從同一彈簧探針結(jié)果中了解沿彈簧長度作用的彈性力。該彈力是彈簧剛度和伸長率的乘積。

下面我們通過一個(gè)實(shí)例來介紹如何在Ansys Mechanical中建立彈簧連接。如下圖所示一個(gè)減震裝置，彈簧的彈性系數(shù)為10N/mm，求柱塞在受到30N力時(shí)候的受力情況。

在Connection中插入彈簧-> Body to Body，將彈性系數(shù)設(shè)為10N/mm。

選擇容器的底面和柱塞的地方作為參考平面，生成彈簧如下：

插入Transtional連接，選擇容器外圓柱面和柱塞外圓柱面，確保柱塞只能沿著中心軸移動(dòng)。

將容器底面設(shè)為固定約束：

在柱塞上施加一個(gè)30N的推力：

生成網(wǎng)格，求解并查看結(jié)果。

變形結(jié)果，總變形為3mm，同理論計(jì)算結(jié)果一致：

應(yīng)力結(jié)果：

將彈簧拉到結(jié)果中可以自動(dòng)生成Spring Probe，查看彈力為30N,變形為3mm。

審核編輯：湯梓紅