有限元技术服务-SolidWorks的类弹簧结构研究

2013-05-18 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 李松*马建中*高李霞来源: 万方数据
关键字: 类弹簧结构三维造型模态分析
类弹簧结构广泛地应用于化工容器、机械隔振装置等设计中,而这种不规则的弹簧结构的建模存在诸多困难,基于SolidWorks一种常用三维设计软件,通过一定的设计手段较好的解决了这类结构的三维造型问题,节省了建模时间。并通过有限元软件分析了这类结构的模态情况,得到了一些有价值的结论。

1前言

类弹簧结构是一种新型的机械设计结构,因为这种结构结合了弹簧、管束和板梁等结构的各自优点,常应用于化工容器中的传热管束结构.机械结构中的减振装置和仪器仪表里的信号发射接受设备等装置的设计中,目前被越来越多的被设计人员、机械工程师们所采用。而目前的机械三维设计系统中,没有直接提供类弹簧结构的实体造型方法,而若是按部就班的进行建模,工作址较大而且不便于修改。

基于通用的三维设计软件Solid Works,提出一种新型的建模和造型方法,较好地解决了这类结构的三维造型问题。实践表明,这是一种方便、快捷、实用的方法。将结构导入有限元分析软件中,对该结构的模态情况进行了初步的探讨研究。

    2 模型介绍

这种类弹簧结构与我们以前接触的弹簧结构有较大区别,从上往下看整体结构呈现一个锥台结构,左侧和右侧的结构尺寸相差较大,整体轮廓有点类似飞机的尾翼结构。如图1所示,因为结构的特殊一般做法是将每个特殊点(如每圈的拐点、上下顶点)的三维坐标计算得到,通过确定各个点的位置来确定线在生成面或体,并且为了保证连线的质量,需要对每一圈弹簧面建立一个参考面,使得这种做法计算量较大,特别是当涉及的弹簧圈数增多时,严重影响下面的工程计算时间。结合目前机械设计中常用的SolidWorks辅助建模软件,本文提出了一种方法进行简化建模。

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    3 SolidWorks建模

因为该结构的特殊,最便捷的方法是采用扫描成体建模,困难之处在于怎样建立出扫描路径草图,本文先确定弹簧的两个端面(图2(a)),根据弹簧结构存在的每圈弹簧间距相同的特点,可以利用建立Reference Points(参考点),按照点的均匀分布进行关键点确定,这只需做出关键线(如圆弧的边线、顶端边线,45"和1350角的边线,图2(b)),根据弹簧圈数确定所取参考点数目(图2(c)),在 3D草图中进行每个点之间连接,因为结构的特殊,上下两弧线用样条曲线连接,两边的上下各点采用直线连接,注意左右两边错开一个点,最后得到的该弹簧扫描路径草图的如图2(d)所示。在弹簧路径线两端,建立一个垂直参考面,建立的圆截面大小(图2(e)),最后扫描得到该结构的三维实体形状(图2(f))。

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    4 模型分析处理

利用SolidWorks软件,我们也可以生成不同截面的类弹簧结构,如圆形、六边形、椭圆形等截面(如图3(a),(b),(c)所示)。

将SolidWorks建立的模型导人ANSYS有限元计算程序中,对该结构进行模态计算分析。(如图4),计算得到的频率值如表1所示。

通过上面的振型图,我们可以发现,这种结构即有梁式的振型(如图5(a)),又有壳结构振型(如图5(b)(e)),同时还有弹簧的特有来回缩拉振型(如图5(c)),或者是前只种振型的结合情况(如图5(f)(g))。这种柔性结构弹性好,韧性强,对此结构的动力性能分析有较好的研究价值。

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