基于ANSYS的三维非线性有限元螺旋弹簧接触仿真分析

螺旋弹簧作为车辆悬架中重要弹性元件之一,直接影响到车辆运行品质。为研究螺旋弹簧的几何参数对弹簧刚度的影响,利用ANSYS的APDL语言参数化建立的有限元模型进行计算,从是否考虑支撑圈与工作圈接触问题的结果,与弹簧刚度理论公式分析计算对比分析,验证三维非线性接触有限元螺旋弹簧模型的合理性,进一步分析锥形角度对弹簧刚度等的影响。改变参数快速建立0°、5°、10°的三种不同锥形角度螺旋弹簧模型,计算得到各种模型的荷载位移曲线,进而分析弹簧刚度、Mises应力、接触应力等影响规律。本文建议锥形螺旋弹簧设置锥度在5°以内,既可提高极限荷载,又可降低接触应力,减少材料疲劳破坏,提高使用寿命,为锥形螺旋弹簧的设计提供参考依据。

关于魔力弹簧的收缩时间和上端运动问题

针对有关魔力弹簧研究中的几个问题进行探讨和澄清.建立了预收缩力弹簧的模型,推出其形变规律.根据质心运动定理,导出这种弹簧自由下落时,收缩到原长所用的时间、其上端的运动方程和速度公式.研究表明,对于通常演示所用的魔力弹簧,在自由下落时的收缩阶段,其上端不是作匀速直线运动.

荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置研制

针对荸荠收获泥果分离难、果实损伤率高的问题,根据旱地环境下荸荠采收作业需求,该研究提出一种由正反旋弹簧并排布置的荸荠收获机弹簧辊式泥果分离装置。通过对荸荠与弹簧辊的相对运动过程动力学分析,确定了影响荸荠收获泥果分离的关键因素为弹簧外径、螺距、相邻弹簧间距、高度差及弹簧转速、线径、作业速度。利用EDEM软件建立泥果混合物离散元模型,对弹簧辊结构参数与工作参数进行单因素试验,分析各因素对泥果分离效果的影响。以荸荠筛分率和土壤筛分率为指标进行二次回归正交试验,得到弹簧辊最佳参数组合为外径100 mm、螺距30 mm、间距9 mm、转速420 r/min,该参数组合下荸荠筛分率为80.00%,土壤筛分率为80.69%。进行仿真验证试验,对比试验结果与模型预测值,荸荠筛分率平均相对误差为2.09%,土壤筛分率平均相对误差为2.42%。以明果率、伤果率、破皮率、挖净率为指标开展模拟采挖试验,分析不同线径弹簧辊的泥果分离能力,确定12 mm线径弹簧兼具较好的振动筛分性能和较低的损伤率。通过实际收获试验测得作业速度0.21 m/s,作业效率0.19 m^(2)/s,碎土率75.61%,明果率82.42%,伤果率14.73%,破皮率7.01%。研究结果可为荸荠收获机研制和优化改进提供参考。

考虑小波包-灰度共生矩阵的高压断路器弹簧疲劳故障程度诊断研究

弹簧操动机构作为高压断路器(High voltage circuit breakers,HVCBs)分合闸操作的储能单元,其可靠性对电力系统的安全运行具有重要意义。本文以六氟化硫高压断路器的弹簧操动机构为研究对象,分析分合闸弹簧的动作机理,对弹簧进行不同程度的故障设置。介绍了振动、声音传感器设备及采集参数,针对小波包时频分析法的缺点,提出一种基于小波包-灰度共生矩阵(Gray level co-occurrence matrix,GLCM)的特征提取方法。从诊断速度和诊断准确度两方面对比了支持向量机(Support vector machine,SVM)、决策树(Decision tree,DT)、朴素贝叶斯、K近邻(K nearest neighbors,KNN)4种诊断模型。实验结果表明,在模拟实际应用场景中,选用K近邻算法对分合闸弹簧故障进行深度诊断能够准确判断故障类型及故障程度,对高压断路器安全可靠运行具有实际应用价值。

单支架与双支架辅助弹簧圈栓塞颅内分叉处宽颈动脉瘤的临床价值对比分析

目的:探讨单支架辅助弹簧圈(SSAC)和双支架辅助弹簧圈(DSAC)栓塞颅内分叉处宽颈动脉瘤(WNBA)的临床价值。方法:选取2013年1月至8月郑州大学第一附属医院收治的颅内分叉处WNBA患者109例,其中SSAC栓塞68例和DSAC栓塞41例。比较两组术中支架内血栓形成、替罗非班或依替巴肽应用情况,手术时间、费用,术后即刻Raymond-Roy闭塞分级(RROC)以及出院时改良Rankin(mRS)评分;术后3~6个月随访,比较两组支架内狭窄情况、RROC和mRS评分。结果:SSAC组术中支架内血栓形成率、手术时间、手术费用和替罗非班或依替巴肽应用率,出院时和术后3~6个月的mRS评分以及术后支架内狭窄率均低于DSAC组(P<0.05)。结论:SSAC治疗颅内分叉处WNBA支架内血栓形成和支架内狭窄率低、并发症少,且手术耗时短、费用低,更值得临床推广。

石油井安全阀弹簧蓄能密封性能分析及结构优化

为研究一种适用于超高压石油井安全阀用密封圈,设计一种适用于做往复运动的弹簧蓄能密封圈结构方案,并分析密封圈唇口结构对密封性能的影响规律。通过构建V形等效弹簧建立二维轴对称模型,借助ABAQUS有限元仿真软件分析不同唇口结构的接触应力状态;以泄漏量为指标,评价单唇和双唇在介质压力35、70、105 MPa和相对运动速度4~8 mm/s下的密封性能;并在双唇口结构优化的基础上,分析唇口角度和唇口间距对密封性能的影响规律。结果表明:在70 MPa介质压力以下,单/双唇结构的密封性能随介质压力变化的趋势相同,随着介质压力逐渐升高,双唇结构的优势逐渐明显;双唇优化后,唇口角度和唇口间距仅对唇口局部接触压力分布有影响,对密封性能的影响十分有限;相对运动速度对2种结构的密封性能影响具有相同的规律;双唇结构密封性能整体比单唇结构提高约25%。

弹簧蓄能密封圈中蓄能弹簧的有限元计算及等效建模研究

弹簧蓄能密封圈是一种性能优良的密封装置,其中的蓄能弹簧可以为密封圈提供初始密封压力,起到辅助密封的作用。但目前对弹簧蓄能密封圈的研究多是在有限元软件中建立二维轴对称模型进行仿真实验,对蓄能弹簧的力学特性和建模计算方法的认识尚有不足。为实现不同结构的弹簧蓄能密封圈的参数化仿真设计,推导环形蓄能弹簧的空间曲线参数方程,建立双层螺旋蓄能弹簧的三维有限元模型,并仿真分析其力学特性。定义蓄能弹簧的内侧刚度和外侧刚度,研究弹簧不同结构参数对其刚度的影响。结果表明,弹簧的厚度和弹簧截面外径对刚度的影响较大,而弹簧中径和匝数对刚度影响可忽略不计。提出轴对称等效模型的建立原则,建立轴对称等效模型的经验公式,为弹簧蓄能密封圈的参数化仿真设计提供了参考。

月球弹簧回复式绳驱采样机械臂的设计及试验

针对深低温、低重力环境的月壤采样任务,设计并研制了一种功耗低、重量轻、结构简单、可靠性高的四自由度绳驱机械臂。将驱动绳索安装在臂杆末端,较大程度地减小了机械臂的功耗;在关节2、3处安装扭转弹簧,通过弹簧扭力给机械臂末端提供超过20 N的下压力;针对深低温环境,匹配了不同材料的配合间隙,提高了机械臂的可靠性;建立并验证了机械臂运动学模型的正确性。采样路径的仿真结果表明机械臂可完成采样任务。采用半闭环控制策略对样机的各独立关节进行了位置阶跃试验和正弦轨迹跟踪试验,试验结果表明各关节具备较高的响应速度、良好的稳定性和轨迹跟踪能力。

高温环境下弹簧功能-传感共形位移测量装置及方法

机械装备的位移测量是状态检测和运动控制的关键,基于激光、电涡流、电感和电阻等原理的常规位移测量方法无法应对高端装备紧凑测试空间和高温、油污等恶劣环境条件下的位移测量挑战。基于材料力学与弹簧结构,构建一种新的弹簧功能-传感共形的位移测量模型,对弹簧整体受力及位移进行分析,确定位移-应变映射关系;基于有限元方法建立弹簧的应变-位移模型,分析弹簧位移测量的敏感点、不同组桥形式、位移激励频率等因素影响;通过搭建电液伺服高频冲击试验台,在扫频和加热工况下进行弹簧位移测量装置及方法的有效性和动态性能测试。试验结果表明:加载频率在100 Hz及以下时测试精度可达0.06 mm,高温适应性不低于275℃;经车用干片式制动器高温制动试验应用验证,在工作温度160℃以上仍能实时稳定获取机构的动态位移信号,为高温制动器状态检测及其故障诊断提供了嵌入式测试技术支撑;该共形位移测量方法在高温条件下具有良好的线性度和精度,为紧凑空间及高温等恶劣环境下位移测量提供了一种有效方法,尤其是在具有弹簧等弹性元件的情况下能够实现对原系统无影响的嵌入式测试。

NBCA医用胶联合弹簧圈三明治法栓塞脾动脉瘤17例疗效分析

目的:探讨氰基丙烯酸异丁酯(NBCA)医用胶联合弹簧圈三明治法栓塞脾动脉瘤的疗效及安全性。方法:选择2018年3月至2023年7月采用经导管注入NBCA医用胶和弹簧圈三明治法栓塞脾动脉瘤的患者17例,回顾性分析临床资料和影像资料,评价栓塞成功率、临床疗效及手术相关并发症。结果:17例患者中男9例,女8例,年龄33~77岁;真性动脉瘤20例,假性动脉瘤2例;多发3例,单发14例;瘤体位于脾动脉近段3例,中段10例,远段9例。所有患者均成功栓塞,未发生严重手术并发症;术后随访3~36个月,腹部增强CT示脾动脉瘤铸型良好,未见复发、增大或破裂出血。结论:经导管NBCA医用胶联合弹簧圈三明治法栓塞脾动脉瘤成功率高,安全有效。

空气弹簧自由边界模拟控制策略研究

针对空气弹簧水平多点支撑自由边界模拟系统存在的过约束、难收敛和非线性控制问题,首先,采用自由度解耦控制方式,在削弱系统内力的基础上,将空间自由度的控制目标分解为每一个控制通道的控制目标,解决了系统过约束问题;其次,利用改进积分分离(proportion integration differentiation,简称PID)控制算法克服系统超调,解决了系统震荡收敛问题;最后,采用经验数据对空气弹簧刚度进行实时二维插值补偿,解决了系统非线性问题。实测结果表明,该控制系统设计合理,系统运行过程平稳,通道间同步性较好,控制策略满足模态试验边界的模拟要求。

非线性超谐共振时效系统弹簧设计方法的研究

为解决难以获取满足非线性超谐共振时效系统所需要的非线性参数,以系统的核心元件—非线性弹簧为研究对象,提出了适用于此系统的不等节距圆柱螺旋弹簧结构参数设计的方法,从而实现系统所要达到的超谐共振。首先,依据工件振动时效所需的弹簧力学特性曲线,计算得到符合该系统用不等节距圆柱螺旋弹簧的结构参数。其次,通过弹簧压缩试验证明了该弹簧设计方法的可行性。最后,以圆柱工件为试验对象,搭建非线性超谐振动台进行试验研究。结果表明:运用此方法设计的不等节距螺旋弹簧作用下的非线性超谐振动试验台能够产生超谐振动,且可产生高于200Hz的高次超谐频率,对推广非线性超谐式共振时效方法在消减高刚工件的残余应力方面具有重要的意义。

弹簧支吊架荷载变化系数的选取与汽水管道支吊架优化设计

目前,我国火力发电厂汽水管道设计标准规定,弹簧吊架荷载变化系数不应大于25%,据此设计的管道系统恒力吊架比例过高,其荷载“非法”转移会造成管道偏离设计线运行,应力升高。分析了恒力吊架恒定度与荷载变化系数的关系并给出了优化设计案例,研究结果表明,在汽水管道设计中适当增大弹簧吊架荷载变化系数,可增大弹簧吊架配置占比,减少管道膨胀异常现象的发生。

复合磁-电弹簧直动式溢流阀设计与性能分析

为了解决传统机械弹簧因塑性变形、断裂等造成溢流阀工作性能劣化的问题,设计一种复合磁-电弹簧结构应用于直动式溢流阀调压弹簧中,以提高直动式溢流阀的响应速度,实现电控弹簧力。理论分析复合磁-电弹簧磁力特性,利用Maxwell软件对复合磁-电弹簧进行磁力特性仿真;采用AMESim软件对机械弹簧直动式溢流阀和复合磁-电弹簧直动式溢流阀进行动态特性仿真。对复合磁-电弹簧磁力特性及溢流阀的动态特性进行实验测试。结果表明:复合磁-电弹簧设计合理,复合磁-电弹簧直动式溢流阀动态响应特性优于现有机械弹簧直动式溢流阀。

斜撑离合器环形弹簧径向刚度计算

斜撑离合器在机械领域及航空动力系统起着重要作用,弹簧的径向刚度是影响斜撑离合器脱开转速和楔合性能的重要指标。斜撑离合器弹簧的径向刚度尚无可靠的计算方法,因此将弹簧等效为圆环,推导出弹簧径向刚度的理论计算方法,并通过仿真和试验验证了理论计算的正确性。

带有指令滤波的电力弹簧系统反步控制

针对新能源发电系统因间接性和不确定性导致的电压波动问题,文中首次将反步控制策略应用于电力弹簧(electric spring,ES)系统,并提出一种带有指令滤波的ES反步控制策略。根据ES的数学模型利用反步法设计控制器,并加入指令滤波器,以解决ES反步控制中的计算膨胀问题,同时设计误差补偿信号,并利用Lyapunov稳定性理论验证系统稳定性。通过仿真模拟新能源发电系统网侧电压波动时,ES对关键负载(critical load,CL)电压稳定的效果,以及不同系统参数对文中控制策略的敏感性分析。与传统的比例积分(proportional-integral,PI)控制对比,CL电压动态响应速度提高0.07 s,CL电压畸变率降低31%,参数敏感性分析中CL电压最大偏差率为0.318%,能承受的最大电压幅值波动范围提高52.9 V。仿真结果验证了文中所提出的控制策略具有响应速度快、谐波含量低、抗干扰能力强的优势。

机车用钛合金弹簧的设计与制备

钛合金弹簧替代钢制弹簧应用于机车悬架弹簧可以减重40%~60%,而且钛合金弹簧具有良好的耐蚀性和阻尼特性,不仅能够抵御恶劣环境的腐蚀,增加机车的行驶里程,还能增强机车的操控性和乘架的舒适性。通过赛车用悬架弹簧实例,详细介绍TB9钛合金弹簧的设计方法和制备过程。计算得到钛合金悬架弹簧的螺旋角为9.45°,已经超出弹簧设计国家标准范围,因此对公式进行了修正。此外,还研究了温度对TB9钛合金弹簧刚度的影响。研究发现,随着温度的上升,TB9钛合金弹簧的刚度逐渐下降。

利用回火定形提高波形弹簧的合格率

针对波形弹簧由于载荷值不稳定导致合格率低的问题,从波形弹簧原材料、厚度、高度等多方面进行对比和综合分析。结果发现,影响波形弹簧合格率的主要因素是波形弹簧厚度的不均匀性。根据厚度将波形弹簧分类,将不同厚度的波形弹簧装入不同波形高度的回火工装中回火定形处理,控制波形弹簧的高度,提高了波形弹簧的合格率。

退火和变形温度对Ti-Ni-Cr形状记忆合金弹簧低温超弹性的影响

利用拉伸试验研究了350~800℃退火态Ti-50.8Ni-0.3Cr合金弹簧在-20~20℃温度范围变形时的低温超弹性。结果表明,在350~800℃温度范围退火时,随退火温度升高,该合金弹簧对外输出应力先降低再升高,而后趋于稳定。在-20~20℃温度范围变形时,随变形温度升高,该合金弹簧对外输出应力增大。要使该合金弹簧在-20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~400℃或550~800℃退火处理;要使该合金弹簧在-10~20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~500℃退火处理;要使该合金弹簧在-20~20℃下获得较大的能耗,可对其进行450~800℃退火处理。随退火温度升高,该合金弹簧的应变恢复率降低;随应力-应变循环次数增加,该合金弹簧的应变恢复率先降低后趋于稳定。预循环训练能明显提高该合金弹簧应变恢复率的稳定性。

纬编双面移圈织物多层弹簧-质点结构模型构建与实现

纬编双面移圈织物工艺结构复杂多变,现有系统在进行设计开发时难以直观地展示出织物的组织结构特点。为实现纬编双面移圈织物的组织结构模拟,本文提出了一种纬编双面移圈织物多层弹簧-质点结构模型。首先建立了成圈、集圈、移圈线圈几何结构模型,接着分析了纬编双面移圈织物结构特征,并在传统弹簧-质点模型的基础上构建了多层弹簧-质点模型,然后采用牛顿第二定律和Velocity-Verlet数值积分法求解了多层弹簧-质点模型的最终位置,最终提出了一种纬编双面移圈织物结构模拟的算法流程。本文建立的多层弹簧-质点结构模型能够反映纬编双面移圈织物的组织结构,具有较好的结构模拟效果。