弹簧连接的CAE模拟

大多数工程结构由许多部件组成，因此，准确地定义组件之间的交互对于准确预测行为至关重要。对于大多数情况，在Ansys Mechanical中分析它们时，我们可以使用接触来建立零件之间的关系。接触元件根据指定的接触行为在零件之间传递力，例如粘合、无分离、摩擦、无摩擦或粗糙。

然而，使用接触的计算成本很高，因此，在某些情况下，我们希望以更有效的方式表示零件交互。例如，悬架系统、后轴、挖掘机臂等组件包括零件之间不同类型的动力学行为，我们可以通过弹簧、梁连接和接头等简化连接来捕获零件之间的交互，而无需通过接触元素对详细交互进行建模。

在处理大型装配体时，在零件之间使用此类动力学约束是一种计算高效的方法。然而，新用户一开始可能会发现弹簧(Spring)、梁(Beam)和接头(Joint)的行为令人困惑。在本讲座中，我们将帮助您了解差异以及何时使用这些连接而不是接触。

弹簧、梁和接头帮助我们整合连接的结构特征，而无需进行详细计算，从而实现工程精度和效率的平衡。尽管这些连接简化了零件之间的动力学约束，但它比通过接触对详细零件进行建模要有效得多。

在所有这些连接中，我们利用机械中的“远程点”(Remote Points)。本质上，我们将要分析的几何体的多个自由度减少到单个节点或远程点，该节点或远程点最多具有 6 个自由度 —三个平移和三个旋转。

然后，我们可以使用弹簧、梁或接头连接将两个远程点“连接在一起”。

这些连接可用于将两个本体连接在一起(body-to-body)或将一个本体连接到地面(body-to-ground)。如果是本体与地面连接，则一个远程点位于本体上，而另一个远程点接地。由于自由度降低，这些连接使得两个部件之间连接更简单但更有效。

让我们先从弹簧连接开始。我相信大家一定见过弹簧，因为它是许多应用中最常见的机械部件之一。

弹簧可以定义为一种弹性元件，它在受到负载时储存能量，并在负载消除时恢复其原始形状。当弹簧在 Ansys Mechanical 中用作连接时，可提供一种简化而高效的方法来对系统中的物理弹簧进行建模。Spring 连接有助于减少预处理时间以及模拟组件中弹簧 3D 模型所涉及的计算成本。

在 Ansys Mechanical 中，弹簧可以定义纵向弹簧，其力的大小取决于线性位移。弹簧的重要特性之一是其刚度，其定义为弹簧抵抗所施加载荷的能力。对于纵向弹簧，刚度是在一个方向（即纵向）上定义的。

弹簧连接可用于将两个本体连接在一起，或将一个本体连接到地面。本体接地类型的连接可用于将零件与地面连接，或者将一个零件与另一个未包含在分析中但仍代表弹簧连接另一端的零件连接。

尽管弹簧连接可用于对系统中的实际螺旋弹簧进行建模，但它也可用于对具有主要作用于一个方向的刚度的任何组件的行为进行建模。例如，如果您想要对自行车刹车杆进行线性应力分析，而不对连接刹车杆和刹车片的线缆进行建模，则仍然可以通过以弹簧连接的形式来解释线缆的影响。

作为一名工程师，您可能有兴趣了解弹簧两端之间的伸长率或相对位移。这可以使用称为弹簧探针(Spring Probe)的结果轻松确定。只需将弹簧连接拖放到结果树上即可。这将自动添加弹簧探针结果。

除了弹簧伸长率之外，您还可以从同一弹簧探针结果中了解沿弹簧长度作用的弹性力。该弹力是弹簧刚度和伸长率的乘积。

下面我们通过一个实例来介绍如何在Ansys Mechanical中建立弹簧连接。如下图所示一个减震装置，弹簧的弹性系数为10N/mm，求柱塞在受到30N力时候的受力情况。

在Connection中插入弹簧-> Body to Body，将弹性系数设为10N/mm。

选择容器的底面和柱塞的地方作为参考平面，生成弹簧如下：

插入Transtional连接，选择容器外圆柱面和柱塞外圆柱面，确保柱塞只能沿着中心轴移动。

将容器底面设为固定约束：

在柱塞上施加一个30N的推力：

生成网格，求解并查看结果。

变形结果，总变形为3mm，同理论计算结果一致：

应力结果：

将弹簧拉到结果中可以自动生成Spring Probe，查看弹力为30N,变形为3mm。

审核编辑：汤梓红