1 概述

螺旋弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件。按照传统方法设计，计算公式复杂。若使用有限元方法，则能较直观地显示弹簧压缩变形全过程，且对该过程中的应力变化情况以及是否会产生并圈等设计禁忌一目了然。弹簧的压缩试验示意图如图 1 所示。

Abaqus/Explicit 显示动态分析，适于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题，特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。而且，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效。鉴于此，在进行模拟弹簧压缩的这种高度非线性接触的研究中，采用 Abaqus/Explicit 得到了比较好的效果。

图 1 弹簧压缩试验示意图

2 有限元模型建立

在建立有限元模型时，考虑到计算的精度以及尽量减小模型的规模以提高计算的经济性，该模型采用六面体与五面体结合划分网格，有限元模型如图 2 所示，整个模型共 155333 个节点，130880 个单元。

图 2 弹簧压缩有限元模型

图 3 上压缩板位移移动比例随时间变化曲线

3 边界条件

本计算模型试图模拟弹簧的压缩试验过程。该试验中，弹簧置于压缩试验台上，由自由伸长状态压缩至设计的最大压缩状态。试验过程中，弹簧上端及下端与试验设备完全靠摩擦力约束。

基于上述试验过程，在 Abaqus 中，约束底座移动及转动自由度，约束上压缩板转动自由度及 2 个移动自由度，施加竖直方向强制位移，其位移大小为最大压缩量，其位移变化过程如图 3 所示；定义 2 个接触对：底座与弹簧、上压缩板与弹簧；定义弹簧自接触；给定计算时间为 2.0s。

4 计算结果

模型经过 Abaqus/Explicit 显示运算，得到弹簧应力及压缩后的位移结果如图 4 所示。在 2.0s 时，节点 73870应力最大，为 423.9MPa，该节点在压缩过程中的应力变化情况如图 5 所示。从变形图上还可以看出，该弹簧在 2.0s 时已经出现了并圈。

图 4 弹簧压缩应力及变形图

图 5 节点 73870 应力随时间变化曲线

5 结论

通过上述分析实例可得出如下结论：

1、Abaqus/Explicit 较好的模拟了螺旋弹簧的压缩过程，可得到包括应力、位移、是否接触等各种随时间变化的信息；随着经验的积累，可逐步取代相关试验，降低成本，提高效率。

2、通过再现弹簧的压缩过程，可帮助相关工程师更加直观、准确地理解与设计产品，达到一次性设计对的效果。

资料来源：达索官方