拉压弹簧试验机结构有限元分析与优化设计

　　1引言

　　拉压弹簧试验机主要用于各种弹簧的强度、性能检测，广泛应用于铁路，工矿企业以及科研院所等部门。某拉压弹簧试验机采用门式结构，是由上横梁、 滚珠丝杠副、导向立柱、导向套、支撑立柱、压盘座、传感器、上下压盘、轴承、轴承盖、螺栓、移动横梁、拉杆、底座、左右支脚等构件组成的组合结构(图 1)。为提高拉压弹簧试验机的测试精度，必须尽可能降低试验机横梁的挠度，这就必须对其进行结构强度刚度有限元分析和优化设计，以提高产品结构性能质量， 降低材料消耗，增加产品的市场竞争力.

　　对弹簧试验机进行合理准确的有限元分析的关键在于正确处理部件间的接触非线性问题、螺栓预紧力问题与轴承简化处理等问题。本文选用ANSYS的 CONTA174 与TARGE170 接触副单元来处理了试验机部件的面接触问题，采用自创的预穿透法处理了螺栓预紧力问题，并通过计算轴承等效刚度给出其等效弹性模量处理轴承简化处理问题。

　　通过对该试验机结构的有限元分析，得到其在最大拉压力工况下的应力分布，以及各工况的应力危险部位和各横梁的变形量，有限元分析结果与实际测量 结果相符，为结构优化设计提供了依据。试验机结构优化分 2步进行：(1)结构布局调优：根据结构不同部位尺寸对横梁挠度的影响以及

结构应力分布特点，对该试验机结构进行结构布局优化设计，再没改变试验机外部尺寸的前提下，有效地降低了结构最大应力与最大变形量。(2)构件尺寸 优化：在布局调优设计方案基础上，采用结构优化导重法[1,3]，对试验机结构进行了构件尺寸优化，得到了使结构挠度值大幅度下降，结构应力分布更合理的 新结构。在结构重量不变和满足材料许用应力的前提下，试验机满载压力试验时，横梁、压盘Y向总变形量由原来的0.320mm下降到0.199mm，下降 37.8%;试验机满载拉力试验时，横梁、压盘Y向总变形量由原1.372mm下降到0.290mm，下降78.9%，优化效果十分显著。

　　2 优化前结构有限元分析

　　2.1 有限元分析模型

　　结构优化的基础是结构分析，采用ANSYS软件对弹簧试验机结构进行有限元分析建模。结构采用实体单元SOLIDE45，共划分97,831个节点，435,506个单元，单元网格划分后的试验机结构模型如图 2所示。

　　2.2 接触副

　　由于该试验机各部件是通过紧固螺栓、轴承、导轨等方式相互相连，部件间存在面接触问题：相互接触的相邻部件要么分离，要么接触，不能

穿透，两触件表面间只能传递压力和摩擦力，不能传递拉力和力矩。由于试验机结构的所有部件间的接触都是面接触，可选用 A N S Y S 的 C O N T A 1 7 4 与TARGE170 接触副单元来处理。由于接触力与接触件的变形有关，而变形又由结构位移决定，所以通过力求位移的有限元分析不再是一般的线性问题，而是需要反复迭代计算的 接触非线性的问题，这就需要更多的机时和存储空间。因此在进行试验机结构分析时对受力大的关键零部件必须正确选用接触副，对受力较小不重要的接触副可适当 简化，以减少计算机时和节省存储空间，本试验机结构分析共取13个接触副。