最佳弹簧设计Advanced spring design

zengxiaodong · 发表于 2023-9-27 11:17

前面我们提到过通常的钢结构经验公式，材料的抗剪极限强度等于0.707倍的抗拉强度；但是，弹簧领域也有一个说法是抗剪弹性极限强度等于0.45倍的抗拉强度（油淬火回火钢丝）。

这两者可谓是差距巨大！

强压弹簧研究.pdf (921.85 KB, 下载次数: 0)

无标题1.png

新型货车转向架螺旋弹簧三维有限元分析与疲劳寿命估算_商跃进.pdf (555.51 KB, 下载次数: 0)

圆柱压缩螺旋弹簧三维静动态有限元分析与寿命预测_商跃进.pdf (565.43 KB, 下载次数: 0)

zengxiaodong · 发表于 2023-9-29 11:45

还对弹簧座进行了屈曲分析，临界压力远大于所需的工作压力。

第3阶临界力，属于局部失稳的模式，这个临界力大于第1阶对应的整体失稳力。

无标题.png

zengxiaodong · 发表于 2023-9-30 08:18

第7阶，也是局部失稳模式

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zengxiaodong · 发表于 2023-9-30 08:19

钢管参数：外径101.6mm、壁厚4mm、钢管长度625毫米

理论计算的整体失稳临界压力是1894225.87牛顿

而Ansys计算的前10阶失稳临界载荷如下，其中第1阶、第2阶对应的就是整体失稳临界载荷

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zengxiaodong · 发表于 2023-10-1 07:19

80年代末期，我们用的教材是范祖尧、郁永熙主编的《结构力学》，授课老师是关银发。

期末考试卷就有一道大题是推导压杆稳定性的欧拉临界载荷，这道题目要在考场上做出来，几乎可以说是不可能的！

zengxiaodong · 发表于 2023-10-3 21:47

Ansys动画的图像质量很差。

螺旋压缩弹簧动画.gif

zengxiaodong · 发表于 2023-10-4 17:22

1 悬架螺旋弹簧

现在乘用车的悬架弹簧主要使用螺旋弹簧。为提高燃油利用效率和乘座舒适性，迫切要求螺旋弹簧轻量化。

对悬架螺旋弹簧的特性要求有耐久性、腐蚀耐久性和抗弹性衰减性等。耐久性指的是在没有腐蚀的环境下的疲劳特性（大气疲劳强度），腐蚀耐久性指的是在溶雪剂等盐害环境下的疲劳强度（腐蚀疲劳强度），抗弹性衰减性反映了弹簧在使用状态下（负荷状态）弹簧高度的变化（低温蠕变）。为使悬架螺旋弹簧满足这些特性要求并进一步轻量化，进行了弹簧材料开发和制造工艺开发。

1.1 悬架弹簧的发展动向

悬架弹簧的轻量化主要是通过弹簧的高强度化来实现的。图1是悬架螺旋弹簧设计应力的变化。约在1975年前，悬架螺旋弹簧用材是SUP6，设计应力约900MPa。到1980年前后，弹簧用材是比SUP6含Si高的、提高抗弹性衰减的SUP7，设计应力达到1000MPa。之后，采用中温定型工艺进一步提高了抗弹性衰减性，设计应力达到1100MPa。这时温间喷丸工艺也开始采用，使耐久性也得到提高。1990年美国公司平均燃料经济规则实施，对悬架螺旋弹簧轻量化的要求更为强烈，为此开发出高强度、高韧性的弹簧钢（0.4C-2.5Si-2Ni-0.8Cr-0.4Mo-0.2V），并采用喷丸工艺，设计应力达到1300 MPa。后来对成本的控制成为设计主流，对弹簧钢的成分进行了调整，目前悬架螺旋弹簧的设计应力主要是1200 MPa。图2是悬架螺旋弹簧重量和设计应力的关系。设计应力为1200MPa的螺旋弹簧重量比设计应力为900MPa的螺旋弹簧重量减轻了38%。2000年以后对设计应力为1200 MPa的螺旋弹簧钢的成分进行了调整，现在使用了设计应力为1250、1300MPa的螺旋弹簧。

无标题.png

1.2 悬架弹簧用材

提高悬架弹簧的耐久性，必须使弹簧用材高强度化。设计应力由过去的900MPa发展到现在的1200～1300MPa的过程中，弹簧钢的抗拉强度从1700MPa提高到1900～2000MPa。材料的高强度化对于提高弹簧的抗弹性衰减能力也非常有效。但对弹簧的另一个重要特性腐蚀耐久性来说，随着弹簧钢的高强度化，钢对腐蚀坑的缺口敏感性增强，氢脆发生的可能性增加。因此在弹簧钢的开发中必须考虑到钢的耐蚀性和抗氢脆性。钢中添加Cu、Ni、Cr等元素可以有效提高钢的耐蚀性。此外，也采取低C化的方法提高耐蚀性。提高弹簧钢的抗氢脆性的方法有，添加Ti形成碳化物发挥氢陷阱的作用，添加Ti、V或复合添加Ti和V细化晶粒，添加B强化晶界等。但并不是只要添加这些元素就可以提高耐蚀性和抗氢脆性。例如，Cr虽然可以提高耐蚀性但会加深腐蚀坑的深度。提高抗延迟断裂性的元素V也有加深腐蚀坑的深度的倾向。因此过量添加这些元素容易在腐蚀坑底部产生应力集中，降低腐蚀耐久性。在对材料的成分设计中必须综合考虑各元素的作用。

随着悬架弹簧钢的高强度化，钢的表面脱碳、非金属夹杂物和表面缺陷问题越来越引起人们的关注。脱碳导致钢材表面强度降低成为弹簧耐久性下降的主要原因。非金属夹杂物存在于喷丸效果达不到的钢的内部，弹簧有时会发生以夹杂物为起点的断裂。微小的表面缺陷经喷丸处理可以无害化，但大缺陷会成为弹簧断裂的起点，使弹簧发生早期断裂。因此，悬架螺旋弹簧用钢的开发应在提高腐蚀耐久性的成分设计同时，也要进行降低非金属夹杂物和表面缺陷的技术开发。

1.3 悬架弹簧制造新工艺的开发

提高悬架弹簧强度的工艺之一是喷丸处理。喷丸处理是提高弹簧耐久性和腐蚀耐久性的有效方法。喷丸处理方法是将大量的钢或陶瓷的微小颗粒冲击弹簧表面，使弹簧表面发生塑性变形的加工方法。经喷丸处理，弹簧表面附加了残余压缩应力，可以抑制弹簧疲劳裂纹的产生和扩展，提高弹簧的耐久性。残余压缩应力还具有抑制腐蚀坑应力集中部位的裂纹扩展作用，所以可以提高弹簧的腐蚀耐久性。此外，残余压缩应力的存在还具有提高弹簧抗氢脆的效果。为将更大的残余压缩应力附加到弹簧上，开发出热喷丸、两级喷丸、应力喷丸等新技术。

在弹簧的抗弹性衰减性方面，不仅弹簧钢的成分和强度，而且弹簧的立定处理对提高抗弹性衰减性也有很大关系。立定处理是在弹簧制造过程中，对弹簧施加大于使用应力的负荷，使弹簧预先发生塑性变形，扩大了弹簧使用时的弹性变形区域，抑制弹簧低温蠕变的工艺。为了进一步提高弹簧的抗弹性衰减性采用了在高温状态下对弹簧进行立定处理的工艺（热立定处理）。

1.4 悬架螺旋弹簧及其用钢要解决的问题

近年来日系汽车制造厂将生产基地向海外扩展。在这种情况下，从汇率差别、稳定供应和节约运费的角度考虑，弹簧制造厂也应向海外扩展。相应地对弹簧用钢本地化供应的要求也十分迫切。如何实现SAE、JIS弹簧钢以及前述的高强度弹簧钢本地化供应给海外的弹簧制造厂，是一个需要解决的问题。

由于悬架螺旋弹簧要求高质量的材料，必须解决脱碳、非金属夹杂物表面缺陷等问题，此外，新开发钢的制造稳定性和全球化供应等问题也要已经解决。

在技术开发方面，应预计到对悬架螺旋弹簧将提出进一步轻量化的要求。因此要进行弹簧材料和弹簧制造技术的开发。

zengxiaodong · 发表于 2023-10-5 19:31

Advanced Spring Design这个软件缺乏一个很有用的的功能，那就是3D模型的输出。

居然只是输出一个*.csv文件，看起来是一些坐标点。用Excel打开后如下：

Xp       Yp       Zp
1.437007874       0       0
1.429135795       0.150208225       0.011154856
1.405605804       0.298770737       0.022309711
1.366675703       0.444059854       0.033464567
1.312772016       0.584483759       0.044619423
1.244485324       0.718503937       0.055774278
1.162563791       0.844652036       0.066929134
1.067904966       0.96154595       0.07808399
0.96154595       1.067904966       0.089238845
0.844652036       1.162563791       0.100393701
0.718503937       1.244485324       0.111548556
0.584483759       1.312772016       0.122703412
0.444059854       1.366675703       0.133858268
0.298770737       1.405605804       0.145013123
0.150208225       1.429135795       0.156167979

有人知道这样的CSV文件怎样形成3D实体吗？

123.rar (6.08 KB, 下载次数: 0)

zengxiaodong · 发表于 2023-10-7 08:37

从汽车悬架弹簧的广泛验证可见，悬架弹簧的设计应力达到1300Mpa是有实际产品验证的。在设计应力（剪应力）1300Mpa时，如果用有限元3D计算来评价莫尔应力强度的话，其当量应力至少为2600Mpa，而目前油淬火回火的悬架弹簧钢丝，其最高抗拉强度仅为2000Mpa，因此，莫尔强度理论在螺旋压缩弹簧领域并不需要完全遵守！

如果根据弹性极限来考核，油淬火回火钢丝的弹性极限剪应力仅为抗拉强度的45%，超过这个数值的话材料进入非线性的区域，按照GB标准，静载工况下弹簧许用剪切应力可以达到55%~60%的抗拉强度，也就是材料已经是属于塑性变形区域了。有必要按照《塑性力学》的原理来分析弹簧的应力和变形，根据经典的塑性力学原理，如果簧丝截面表层刚进入塑性区，与簧丝截面全部进入塑性区，两者承受的扭矩之比为1.33倍！

利用塑性变形来提高弹簧的极限承载能力，工程上面的方法就是强压处理。

强压应力解释.png

zengxiaodong · 发表于 2023-10-7 09:54

关于强压处理的几篇老论文

螺旋弹簧热强压处理工艺的研究_李忆莲.pdf (1.65 MB, 下载次数: 0)

压缩螺旋弹簧的脉冲磁场强压处理_李忆莲.pdf (546.86 KB, 下载次数: 0)

奥氏体不锈压缩螺旋弹簧抗应力松弛性能研究_苏德达.pdf (405.74 KB, 下载次数: 0)

液压件弹簧强压处理工艺研究_李忆莲.pdf (572.5 KB, 下载次数: 0)

压缩螺旋弹簧应力松弛性能及电强压处理专机的研制_苏德达.pdf (448.42 KB, 下载次数: 0)

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