袁建梅，劉兵

（江蘇省鹽南中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 鹽城 224041）

1 建 模

通過(guò)Pro/E的參數(shù)化功能設(shè)定四個(gè)彈簧參數(shù)，分別是鋼絲直徑、彈簧外徑、彈簧自由長(zhǎng)度和有效圈數(shù)，再設(shè)定這四個(gè)參數(shù)的初始值分別為：3、30、105和15。然后通過(guò)Pro/E的建模功能進(jìn)行參數(shù)化建模。Pro/E 中提供了很好的彈簧建模功能-螺旋掃描，通過(guò)該功能可以建立非常標(biāo)準(zhǔn)的圓柱螺旋彈簧。在建模的過(guò)程中通過(guò)已定義參數(shù)對(duì)其進(jìn)行約束可以達(dá)到參數(shù)化建模的效果，建好的模型如圖1所示。若想要得到其它型號(hào)的彈簧可以通過(guò)再生功能修改參數(shù)可以立即得到所要模型，如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 參數(shù)修改

2 導(dǎo)入到ANSYS Workbench

ANSYS Workbench 提供了與CAD 軟件及設(shè)計(jì)流程之間的無(wú)與倫比的整合性，從而發(fā)揮CAE 對(duì)設(shè)計(jì)流程最大限度的貢獻(xiàn)。最新的ANSYS Workbench 使用接口，可與Pro/E 系統(tǒng)的實(shí)體及曲面模型雙向連接，極大地提高了Pro/E 文件的導(dǎo)入成功率。當(dāng)Pro/E 模型變化時(shí)，不需要對(duì)所施加的負(fù)載和支撐重新定義，這意味著通過(guò)ANSYS Workbench的參數(shù)化管理可以方便地控制Pro/E 模型的參數(shù)，從而提高設(shè)計(jì)效率。

導(dǎo)入方法可以將模型保存為通用格式IGES，然后用ANSYS Workbench 載入。更好的方法是將ANSYS Workbench的啟動(dòng)命令集成到Pro/E的菜單里面，模型建好后，單擊Pro/E 菜單中的啟動(dòng)ANSYS Workbench 命令，模型就會(huì)自動(dòng)載入到ANSYS Workbench 里面，無(wú)需轉(zhuǎn)化，而且可以很好地利用Pro/E和ANSYS Workbench的雙向相關(guān)性。

3 劃分網(wǎng)格

（1）材料選擇及其屬性設(shè)置

在模型樹(shù)中選擇彈簧的材料為Structural Steel，即結(jié)構(gòu)鋼，然后在劃分網(wǎng)格選項(xiàng)卡中設(shè)置relevance 值為100。（2）單擊Mesh Control，選擇method，然后選擇彈簧模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格的結(jié)果如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

4 設(shè)置約束

新建一個(gè)分析，在菜單中選擇Static Structural，然后設(shè)置固定約束，在Supports 中選擇Fixed Support，單擊選擇彈簧的一個(gè)端面，單擊apply 確定選擇。固定約束設(shè)置后的結(jié)果如圖4所示。在彈簧的另一端加載一個(gè)壓力，大小為60N，方向如圖5所示。

圖4

5 建立一個(gè)應(yīng)力分析

選擇要分析的結(jié)果，在菜單欄中選擇要分析的結(jié)果，分 別 選 擇Equivalent Stress和Equivalent Elastic Strain，即等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變，單擊工具欄上的Solve 進(jìn)行應(yīng)力分析，得到的等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變的分布情況如圖6和圖7所示。

圖5

6 定義疲勞材料特性

在菜單欄Tools 中選擇Fatigue Tool，然后定義疲勞材料特性，在其屬性欄中設(shè)置參數(shù)。為恒定振幅載荷在最大和最小的應(yīng)力水平恒定時(shí)最簡(jiǎn)單的形式進(jìn)行討論。

圖6 等效應(yīng)力

圖7 等效彈性應(yīng)變

考慮在最大最小應(yīng)力值σmin和σmax作用下的比例載荷、恒定振幅的情況：

（1）應(yīng)力范圍定義為Δ=（σmin－σmax）。

（2）平均應(yīng)力定義為σm=（σmin＋σmax）/2。

（3）應(yīng)力幅或者交變應(yīng)力σa=σ。

（4）應(yīng)力比R=σmin/σmax。

（5）當(dāng)施加的是大小相等且方向相反的載荷時(shí)，發(fā)生的是對(duì)稱循環(huán)載荷，這就是σm＝0、R＝－1的情況。

（6）當(dāng)施加載荷后又撤除該載荷，將發(fā)生脈動(dòng)循環(huán)載荷，這就是σm＝σmax/2 情況。

重復(fù)加載設(shè)置如圖8 所示。

載荷與疲勞失效的關(guān)系，采用的是應(yīng)力-壽命曲線或者S-N 曲線來(lái)表示，S-N 曲線是通過(guò)對(duì)試件做疲勞測(cè)試得到的，應(yīng)力-壽命曲線或者S-N 曲線展示出應(yīng)力幅與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，彈簧的S-N 曲線如圖9 所示。

圖8 恒定振幅載荷

圖9 彈簧的S-N 曲線

由圖9 所知：有了S-N 曲線就可以進(jìn)行疲勞分析了，選擇Fatigue Tool 模型樹(shù)，然后在Contour Results 中選擇有分析的結(jié)果，在這里，我們選擇Life、Damage、Safety Factor、Fatigue Sensitivity和Equivalent Alternating Stress。在Fatigue Sensitivity的屬性欄中設(shè)置最小載荷和最大載荷分別為名義載荷的50%和150%。

單擊工具欄中的Solve 進(jìn)行分析。分析結(jié)束后在模型樹(shù)中單擊要查看的分析，圖形區(qū)域就會(huì)顯示分析的結(jié)果。

7 結(jié)論與對(duì)策

分析結(jié)束后，可以得到疲勞壽命、疲勞損傷、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)，圖形區(qū)域會(huì)顯示出所要的結(jié)果云圖。

圖10 疲勞壽命

由圖10 可以得出：最小壽命區(qū)域主要在彈簧鋼絲上，而且局部壽命較短，最小的是3044.1個(gè)循環(huán)，可見(jiàn)這樣的結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)的需要，可以通過(guò)ANSYS Workbench 的DesignXplorer 模塊對(duì)彈簧的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將鋼絲的的直徑d 設(shè)置為設(shè)計(jì)參數(shù)，疲勞壽命設(shè)置為目標(biāo)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果可以直接映射到Pro/E 模型的參數(shù)。

圖11 疲勞損傷

由圖11 可以得出：疲勞損傷的最大值較大，同樣可以采用ANSYS Workbench 的DesignXplorer 模塊對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖12 安全系數(shù)

由圖12 可以得出：安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效，設(shè)計(jì)壽命值在細(xì)節(jié)欄（Details view）輸入，給定最大安全系數(shù)SF 值是15。

［1］數(shù)字化手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軟件版）V3.0［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］Saeed Moavenl．有限元分析-ANSYS 理論與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［3］李兵，等．ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008．

［4］曾珊琪．模具壽命與失效［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］安士亞太中國(guó)公司．ANSYS Workbench 分析教程［Z］．