SW有限元分析如何计算弹簧的刚度系数

弹簧的刚度系数K是弹簧很重要的一个参数，能够直接反映弹簧的软硬程度，这个参数和材料的剪切模量、弹簧的线性、弹簧的中径和螺距相关。

对于非变径弹簧，弹簧的刚度系数K是一个定值，可以由弹簧受到的力F除以弹簧的压缩量或者伸长量来得到。

弹簧的刚度系数K与弹性模量E比较相似，弹簧的刚度系数是宏观上的，使用力除以伸缩量得到，弹性模量E则是微观上的，使用应力除以应变得到。

在有限元计算中，我们主要研究微观上的应力与应变的关系。弹簧在压缩或者拉伸的过程中，弹簧的截面受到扭转应力，当这个应力超过弹簧材料本身的屈服强度的时候，弹簧就会发生永久变形。

下面，猫亮设计来演示一下，如何在弹簧的弹性范围内使用solidworks的有限元计算来计算弹簧的刚度系数K。

• 首先，我们使用迈迪工具设计一个压缩弹簧，我们填入相关的设计参数后，会得到一个弹簧的计算参数，在计算参数中，我们可以知道这个弹簧的刚度系数为29.62N*mm。我们就用这个设计参数使用solidworks的有限元分析来验算一下计算出来的刚度系数是否正确。

• 打开solidworks后，点击上图中的零件状态，插件会自动在solidworks中生成一个对应的弹簧模型。下面，我们使用这个模型来做有限元计算。

• 在solidworks插件中，打开solidworks simulation插件，使用静应力分析，将弹簧的材料设定为合金钢，在合金刚的材料参数中，其剪切模量G为7900MPa，这个剪切模量和使用数学解析法计算时使用的数据是一致的。
• 对弹簧的底面添加固定约束。

• 在外部载荷中，使用规定的 位移，对弹簧添加一个位移约束，通俗点说就是强制弹簧产生一个位移变形。

• 选中弹簧的顶面，添加一个与面垂直并向下的位移，为了保证弹簧的应力不超过屈服极限，根据前面弹簧的工作行程15mm，我们添加一个5mm的位移。

• 使用中等偏上密度的高品质网格对弹簧划分单元格，划分后的单元格如下图。

• 运行有限元计算，系统会弹出是否进行大型位移计算，我们选择是进行大型位移计算。由于前面我们对这个弹簧加载了一个5mm的位移量，因此这里的计算就需要采用大型位移计算。

• 在计算结果中，我们将Z方向上的位移数据调出来，Z方向上的位移变形和前面我们设置的一致，这个弹簧发生了5mm的变形。

• 为了得到弹簧产生5mm的压缩变形后，弹簧的压缩力是多少，我们需要在结果中，选择列出合力来得到弹簧的压缩力。

• 在合力中选择弹簧的底面为参考面，然后点击更新，我们可以得到Z方向上的反作用力为139N。
• 使用这个力除以变形量：139/5=27.8N*mm，这个数据与前面插件计算得到的数据29.62N*mm相差不大。主要原因是两种计算方式及计算精度的不同，一种是解析法，一种是有限元法，我们没有办法直接去评判这两个数据哪个是绝对正确的，只能说这两个数据都是合理的。

• 最后，我们再来看一下应力数据吧。在应力数据中存在一个应力奇异部位，这个部位的应力奇异主要是由于刚性约束导致的，在查看应力结果的时候，我们需要忽略这个部位。
• 使用应力探测功能，点击弹簧的其他部位，我们可以看到弹簧对应部位的应力值。

猫亮设计

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