基于Solidworks的简支梁片弹簧的应力和寿命分析

0 引言

    实际应用的平面弹簧是一个小型的冲压件，其功能像一个具有微小变形量的弹簧。平面弹簧的材料通常是高碳钢，镍银合金，高镍合金，不锈钢和磷青铜合金。平面片弹簧常用于汽车中提供稳定性或帮助减小磨损、帮助驱动或转向轴转向。片弹簧可分为单层，多层，抛物线型弹簧等。片弹簧常与一个平衡装置一起用于阀的控制，例如汽车的废气排泄系统。

    平面螺旋弹簧也经常用在汽车中，如嵌入特殊装置中平面螺旋弹簧用于吸收冲击或提供张紧力；用于座位中以提供支撑；在一些电炉中的波形弹簧垫圈，用其作为温度设置装置，当设置需要的温度时，把它按下，从外部就可以看到片弹簧偏离其初始位置，非常便于人工操作。

1 平面弹簧的分类

    平面弹簧按外形可分为直片弹簧和弯片弹簧两类，按板片的形状则可以分为长方形、梯形、三角形和阶段形等。直片弹簧的特点是：只在一个方向一最小刚度平面上容易弯曲，而在另一个方向上具有大的拉伸刚度及弯曲刚度。片弹簧很适宜用来做检测仪表或自动装置中的敏感元件、弹性支承、定位装置、挠性连接等。因此作为平面弹簧的片弹簧常应用于如通信设备，电子设备，建筑设备，工业机械，邮件与分拣设备，测量和控制设备，金属锻件及冲压设备，医疗设备，手表部件等。当片弹簧用于电力接触装置中，用的最多的是形状最简单的简支梁式片弹簧。因此对片弹簧的研究具有一定的学术和应用研究价值。

    片弹簧的制造有严格的技术要求，例如弯曲加工部分的半径。片弹簧在成型时，大多数要进行弯曲加工。若弯曲部分的曲率半径相对较小，则这些部分要产生很大的应力。因此，如要避免弯曲部分产生较大的应力，则设计时应使弯曲半径至少是板厚的五倍。再者缺口处或孔部位的应力集中。片弹簧常会有阶梯部分以及开孔，在尺寸急剧变化的阶梯的地方，产生应力集中。孔的直径越小板宽越大，则这一应力集中系数越大。片弹簧多用冲压加工，在设计时要考虑选择适宜冲压加工的形状和尺寸，同时，还要充分考虑弹簧在弯曲加工时的回弹及热处理时产生的变形等尺寸公差。测量用片弹簧的作用是转变力或者位移。如果固定结构和承载方式能保证弹簧的工作长度不变，则片弹簧的刚度在小变形范围是恒定的，必要时也可以得到线性特征，但是实际情况片弹簧的变形是非线性的。因此对片弹簧进行非线性应力分析和寿命分析是非常有必要的。

    本文将通过，对简支梁片弹簧进行建模，然后用中的非线性求解器对模型进行网格划分，边界条件设定，应力分析和预期生命计算。本文提供的研究方法将有助于学校的简支梁理论教学和实际应用中片弹簧的设计。