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压缩弹簧的设计计算与基于ABAQUS的动力学分析 樊利芳 杨华龙摘要 本文根据弹簧的工作及使用要求，通过设计选材、选型和计算，设计出一款圆柱压缩弹簧，并对拟定的弹簧进行动力学仿真分析，通过校核弹簧强度验证弹簧选材及设计满足使用要求关键词：压缩弹簧，设计计算，有限元分析中文分类号：TH135+.1 ：A1. 引言弹簧是各种机械设备中广泛应用的一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性形变，从而起到缓冲、减振和隔振的作用根据弹簧所受力的不同，弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、弯曲弹簧[1]在弹簧使用过程中，常见失效形式有疲劳断裂和应力松弛两种方式[2]弹簧设计需要考虑强度、刚度、制造和行程四个方面的问题，应遵循的步骤：（1）根据工作条件、要求等选择合适的材料和结构形式;（2）根据弹簧应力及变形公式等计算弹簧的主要尺寸;（3）验证弹簧的稳定性、振动、疲劳强度和静强度等[3]本文根据弹簧的使用环境及要求，结合弹簧设计标准，对弹簧进行设计计算，并通过有限元动力学仿真分析，对所设计弹簧进行强度及刚度等校核2. 压缩弹簧的设计计算2.1 弹簧设计要求根据弹簧使用要求，线径d=25mm，中径D=90mm，弹簧在地面上在压缩至极限状态保持3个月至1年，放入井下后复位50mm，此时其承载力应大于20kN，并为一次性使用产品。

2.2 弹簧选材及计算根据受载荷情况，该弹簧应按照III类进行设计结合弹簧常用材料及需用应力，本文选取优质材料65Si2MnWA或者60Si2CrVA65Si2MnWA弹簧钢是一种低合金钢，其容许工作温度是350℃，强度及硬度较高，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，通常用于制作重要和重载下工作的螺旋弹簧和板簧等[4]弹簧旋绕比 ，曲度系数 ，根据常用弹簧表规范，选取K=1.4根据弹簧标准GB1239-76，弹簧材料及许用应力计算方式如下：弹簧允许极限载荷： （1）弹簧极限负荷下单圈变形量： （2）弹簧节距： ，可取t=35mm有弹簧计算理论可知，弹簧刚度 （3）承载力 （4）根据要求弹簧复位 ，此时承载力 ，忽略弹簧在长期载荷作用下产生的松弛效应，则有 （5）弹簧最大变形量 （6）式中，n为弹簧工作圈数， 为弹簧最大变形量联合公式（3）～（6），可计算得到 1）取弹簧工作圈数为n=11.5，则有弹簧刚度 ;弹簧最大压缩量 ;弹簧回复50mm后的承载力 ，即在不考虑松弛情况下满足承载2吨的使用要求。

弹簧总圈数 为增加弹簧受力均匀性，采用YI型端部结构两端并紧并磨平，其自由高度，弹簧螺旋角 ，符合一般要求 弹簧高径比 ，满足稳定性要求2）考虑弹簧不能压缩至极限变形量，可取平均每圈压缩7.5mm，总圈数n=153. 压缩弹簧的动力学仿真分析3.1 建立有限元模型取总圈数n=15，建立弹簧三维模型，为避免弹簧在压缩过程中发生扭曲，设置导向杆做辅助，模拟弹簧在压力机上的试验过程采用Hypermesh对弹簧及导向装置划分结构化网格，网格大小设为1.5mm，如图1弹簧在压力机作用下的工况包括三个阶段：（1）弹簧在载荷作用下缓慢压缩至最大压缩量，本文取95mm;（2）弹簧在该压缩长度载荷作用下保持该压缩长度较长的一段时间;（3）弹簧复位50mm，继续保持压缩状态利用Abaqus Dynamics Implicit隐式动力学非线性模型进行求解计算对导向装置底座位移进行完全约束，通过顶板沿轴向的移动给弹簧缓慢施加竖向位移95mm，如图2所示设置材料力学参数如表1所示3.2 计算结果3.2 弹簧采用65Si2MnWA弹簧钢，底座、顶板及导杆均设为硬质材料通过计算分析，弹簧在压缩至95mm时应力达到最大值，如图3～4所示。

弹簧最大剪切应力值约为890Mpa，在材料许用剪切应力932MPa范围之内;最大主应力约为750MPa，最大Mises应力为1430MPa，已经进入材料塑性变形阶段弹簧应力最大值分别分布在靠近顶板和底座2圈节距处，并从上下两端向中间逐渐减小，弹簧中部应力值最小弹簧保持一段时间以后，释放顶端位移复位50mm保持状态不变，此时其应力分布如图5～6所示弹簧应力得到释放，最大值剪切应力约为450Mpa，位于靠近底座2圈节距处，其余位置最大剪切力约为300MPa;除接触点外，弹簧Mises应力最大值约为900MPa弹簧复位50mm后，应力大幅减小由此可见，在装弹簧压缩至95mm时，所受应力在材料屈服强度内，即弹簧压缩至最大值时不会发生断裂，其强度能够满足要求忽略弹簧松弛过程，弹簧复位50mm后，所受应力大幅降低此时弹簧的承载力F可参照理论计算值4. 结论65Si2MnWA弹簧钢是一种低合金钢，其容许工作温度是350℃，强度、硬度较高，锻造、焊接和冷冲压性能良好，冷变形塑性高，通常用于制极重要和重载下工作的螺旋弹簧和板簧等65Si2MnWA弹簧钢力学性能，抗拉强度，屈服强度，伸长率，断面收缩率（1）根据弹簧设计标准，设计了一款符合井下特殊使用要求的压缩弹簧，合理地进行选材，并计算主要参数，为工程类似应用计算提供设计思路。

2）采用有限元数值模拟，对拟定弹簧进行计算分析，通过计算压缩至极限状态及复位50mm后的应力分布，校核弹簧强度3）本文忽略了弹簧在高温长期工作状态下发生应力松弛或蠕变的现象实际上弹簧在长期载荷作用下将发生应力松弛，导致弹簧刚度削弱，弹簧性能下降，负载能力降低[5]需根据蠕變实验，测量材料的松弛因子，将弹簧蠕变现象考虑在内进行计算本文中弹簧为一次性使用产品，若多次使用，需进行疲劳分析参考文献[1]李嘉维. 井下纠偏器中弹簧的设计计算[J]. 山东工业技术， 2017， 000（004）：203.[2]汪信远， 幸泽兰. 弹簧的应力松弛及其计算[J]. 机电设备， 1992（04）：22-24.[3]李和平， 夏翔， 吴霞. 圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算[J]. 井冈山师范学院学报， 2005， 26（003）：56-58.[4]张子旺. 65Si2MnWA钢缓冲簧热处理工艺研究[J]. 兵器材料科学与工程， 1989（07）：34-37.[5]李腾. 0Cr18Ni9不锈钢弹簧蠕变和应力松弛研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2014. -全文完-。