一種斜圈彈簧力學性能測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種斜圈彈簧力學性能測試方法，首先，建立直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧的幾何參數方程；其次，通過幾何參數方程繪制各類斜圈彈簧的幾何模型，并導入到有限元軟件ANSYS中進行數值模擬，得到調節其各種幾何參數時斜圈彈簧在工作達到并圈前的荷載-位移曲線，并通過改變參數，得出各幾何參數對該荷載-位移曲線的影響，同時通過樣品實驗測試得到直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧在實際工作中的荷載-位移曲線；最后，將有限元計算結果與實驗測試結果進行對比，以驗證有限元計算的合理性，從而驗證幾何參數方程的可行性。本發明通過實驗和有限元計算結果提出斜圈彈簧的生產設計優化方案，具有創新意義，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種斜圈彈簧力學性能測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及斜圈彈簧力學性能研究的【技術領域】，尤其是指一種斜圈彈簧力學性能測試方法。
【背景技術】
[0002]機械設備中連接件結構性能的穩定性和可靠性一直是工程界關注的一個重點，而斜圈彈簧由于其線圈尺寸小，數量多，有很高的通流能力和很好的技術經濟性，從而使得斜圈彈簧特別適合用于連接件的設計。
[0003]斜圈彈簧與一般正圈彈簧相比，在實際應用中其結構簡化，安裝方便，接觸點多，導電性能好，高電流容量，電動及熱穩定性高，電場分布均勻，接觸變形范圍較大而接觸壓力基本恒定，磨損小，使用周期長，開槽尺寸簡單易加工，規格系列化，可配多種直徑的導電桿。基于這些特點，作為連接件在電力行業擁有廣泛的市場。
[0004]斜圈彈簧的生產制造系美國巴塞爾公司的專利技術，國內目前還沒有成熟的生產工藝，然而由于國外的技術壟斷，限制了該產品在我國的生產和發展，國內的仿制品由于技術或工藝問題導致與進口產品相比在性能上存在較大差距，使用壽命僅為國外同類產品的1/10，由于該產品是高壓斷路器的關鍵零件之一，市場需求大卻大部分依賴進口。國內已有部分技術人員對該斜圈彈簧設計有所研究，但大多數研究的都是有關電學性能方面，力學性能方面的研究涉及甚少。由于斜圈彈簧的尺寸大小，傾斜角度等空間幾何特征參數與其工作過程中受到的載荷大小密切相關，從而對其使用的壽命有一定的影響，因此研發具有自主知識產權的斜圈彈簧生產工藝和技術具有重大的社會和經濟價值，也是一項迫切任務，同時彈簧是機械構件中受力比較復雜的元件，對其展開研究也具備較高的理論價值。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提供一種合理、可靠、高效的斜圈彈簧力學性能測試方法，能直接為生產提供理論指導。
[0006]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種斜圈彈簧力學性能測試方法，首先，建立直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧的幾何參數方程；其次，通過幾何參數方程繪制各類斜圈彈簧的幾何模型，并導入到有限元軟件ANSYS中進行數值模擬，得到調節其各種幾何參數時斜圈彈簧在工作達到并圈前的荷載-位移曲線，并通過改變參數，得出各幾何參數對該荷載-位移曲線的影響，通過計算結果導出幾何參數間的關系，即經驗公式，同時通過樣品實驗測試得到直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧在實際工作中的荷載-位移曲線；最后，將有限元計算結果與實驗測試結果進行對比，以驗證有限元計算的合理性，從而驗證幾何參數方程的可行性。
[0007]建立的直線斜圈彈簧的幾何參數方程，如下:
[0008]I)線模型方程
[0009]
【權利要求】
1.一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于:首先，建立直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧的幾何參數方程；其次，通過幾何參數方程繪制各類斜圈彈簧的幾何模型，并導入到有限元軟件ANSYS中進行數值模擬，得到調節其各種幾何參數時斜圈彈簧在工作達到并圈前的荷載-位移曲線，并通過改變參數，得出各幾何參數對該荷載-位移曲線的影響，通過有限元計算結果導出幾何參數間的關系，即經驗公式，同時通過樣品實驗測試得到直線斜圈彈簧和環形斜圈彈簧在實際工作中的荷載-位移曲線；最后，將有限元計算結果與實驗測試結果進行對比，以驗證有限元計算的合理性，從而驗證幾何參數方程的可行性。
2.根據權利要求1所述的一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于，建立的直線斜圈彈簧的幾何參數方程，如下: 1)線模型方程
3.根據權利要求1所述的一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于，建立的環形斜圈彈簧的幾何參數方程，如下: .1)徑向斜圈彈簧的參數方程 . 1.1)在圓柱坐標下建立徑向斜圈彈簧方程:
4.根據權利要求1所述的一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于:在有限元軟件ANSYS中進行數值模擬時，采用的是梁單元BEAM44模擬，所述梁單元BEAM44是一種具有承受拉、壓、扭轉和彎曲能力的三維單軸梁單元，單元每個節點有六個自由度:x、1、z方向的平移和X、j、z軸向移動的轉動，這個單元允許具有不對稱的端面結構，并且允許端面節點偏離截面形心位置，此外彈簧材料為鈹青銅，取彈性模量為1.3e5MPa，泊松比為0.32 ； 對于直線斜圈彈簧，采用的邊界條件是:彈簧的一自由端處施加軸向，即Z方向位移約束，彈簧的下端施加X，Y兩個方向的位移，位移均為零；彈簧的上端施加X，Y兩個方向的位移，其中X方向位移為零，Y方向的位移根據模擬需求變化，即施加不同的位移載荷； 對于環形斜圈彈簧中的徑向斜圈彈簧，采用的邊界條件是:利用外圈全部固定；內圈環向可移動，軸向固定，徑向加載分析了整個模型； 對于環形斜圈彈簧中的軸向斜圈彈簧，采用的邊界條件是:圈頂端徑向固定，軸向施加位移荷載，環向可移動；圈底端全部固定；樣品彈性模量取1.3e5MPa，泊松比取0.32 ； 通過各幾何參數對荷載-位移曲線的影響，經有限元計算結果導出幾何參數間的關系，可得到如下的有關斜圈彈簧參數的經驗公式: C=Ab λ e [0.45 ~0.53] 式中，c為傾幅，即與正圈彈簧相比圈頂在軸向偏移的距離；b為斜圈彈簧的短半軸，即圈高。
5.根據權利要求1所述的一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于:在進行樣品實驗測試時，將樣品在MTS試驗機上進行準靜態壓縮試驗，通過MTS試驗機對待測彈簧樣品施加荷載，得出彈簧在實際工作中的荷載-位移的關系曲線。
6.根據權利要求1所述的一種斜圈彈簧力學性能測試方法，其特征在于:采用PRO/E軟件建立斜圈彈 簧的幾何模型，并選用IGS格式導出到有限元軟件ANSYS中進行有限元分析。
【文檔編號】G01N3/00GK103954494SQ201410199391
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】袁鴻, 張煥亮, 劉三星, 韓軍 申請人:暨南大學