碟形彈簧(以下簡稱碟簧)具有理想的非線性剛度特性，在車輛離合器和船舶吸振器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在碟簧的設(shè)計和計算方面，各國都制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。我國的碟簧設(shè)計和計算標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布是在1992年，并于93年6月份開始實施。實踐表明，國標(biāo)中給出的基于有限變形的軸對稱彈性板殼理論的碟簧計算方法基本可以滿足大多數(shù)工程設(shè)計的要求。但眾所周知，絕大多數(shù)碟簧結(jié)構(gòu)在工作時，其局部材料已經(jīng)進(jìn)入塑性區(qū)。靜載荷情況下，碟簧結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力甚至可以是材料的屈服應(yīng)力的2~3倍。因此，要更加準(zhǔn)確地計算出碟簧在工作過程中的應(yīng)力及變形，必須對其開展彈塑性力學(xué)分析。這對非標(biāo)碟簧的設(shè)計和碟簧結(jié)構(gòu)在新領(lǐng)域應(yīng)用具有十分重要的意義。
本文主要針對用于某飛行器結(jié)構(gòu)分析的非標(biāo)碟簧結(jié)構(gòu)，采用Ansys有限元分析系統(tǒng)，計算在平穩(wěn)壓縮和釋放過程中該碟簧的彈塑性應(yīng)力及變形，通過該碟簧的加載-卸載曲線，分析強(qiáng)壓處理對碟簧工作性能的影響，為該碟簧的使用提供定量依據(jù)。鑒于有限元的規(guī)范性，本文計算方法完全適用于任意碟簧結(jié)構(gòu)的彈塑性力學(xué)分析。
1.結(jié)構(gòu)模型
計算碟簧結(jié)構(gòu)的實體模型如下圖1所示。其主要特點結(jié)構(gòu)是，與一般國標(biāo)設(shè)計相比，該碟簧設(shè)計有較寬上下支撐面，碟簧外徑與厚度比值偏小，高度與厚度比值偏大。這種設(shè)計的出發(fā)點是要在有限尺寸的限制下，獲得盡可能高的結(jié)構(gòu)總體剛度。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計與國標(biāo)中相近的碟簧型號相差較大，因此難以根據(jù)國標(biāo)提供的參數(shù)進(jìn)行校核計算。
圖2為該碟簧的截面形狀及關(guān)鍵點位置示意圖，圖中的關(guān)鍵點是施加邊界條件和考察計算結(jié)果的位置點。
2.物理模型
(1)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。為開展碟簧的彈塑性分析，通過簡單拉伸試驗測定了碟簧材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。材料的彈性模量為2.03X105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度約1500MPa。為了更準(zhǔn)確地模擬材料的非線性特性，計算中采用分段線性材料模型，完整地模擬了材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
(2)塑性模型。塑性模型的定義主要包括屈服準(zhǔn)則、硬化準(zhǔn)則和流動法則。其中屈服準(zhǔn)則定義材料彈性行為的極限。考慮到碟簧材料為性能較好的韌性材料，在此采用Mises屈服準(zhǔn)則，即令結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度為Mises等效應(yīng)力。硬化準(zhǔn)則定義塑性變形后的屈服條件。本文計算采用分段線性隨動硬化模型。由流動法則可以確定塑性應(yīng)變增量張量分量的相對大小。流動法則由塑性勢函數(shù)求導(dǎo)得出。當(dāng)假定應(yīng)變勢能函數(shù)與屈服函數(shù)相同時，稱流動法則為與屈服函數(shù)相關(guān)的流動法則。本文采用與MIses屈服函數(shù)相關(guān)的流動法則。
(3)幾何方程。幾何方程定義位移和應(yīng)變之間的關(guān)系。考慮到本文計算的碟簧結(jié)構(gòu)變形很大，為此采用大變形非線性幾何方程。
3.有限元網(wǎng)絡(luò)模型及邊界條件
考慮整個問題在結(jié)構(gòu)和載荷上具有軸對稱性，因此分析采用軸對稱模型。所有單元均采用四邊形的軸對稱單元。邊界條件包括VI點的軸向位移固定約束，和V點的軸向時變位移載荷。
4.計算結(jié)果及分析
4.1加載卸載特性曲線
對V點施加軸向位移載荷，使其位移從0逐漸增加到3.228mm(此時II點處于壓平狀態(tài)，軸向位移為3.479mm)，然后又使其恢復(fù)到0，如此循環(huán)環(huán)往復(fù)5次，得到單片碟簧的加載卸載曲線如圖3所示。
從圖3可以看出，在首次加載和卸載循環(huán)中，加載曲線和卸載曲線差異較大。這種結(jié)果表明，在首次加載和卸載循環(huán)中，碟簧材料的塑性作用明顯，碟簧結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強(qiáng)的材料非線性。
經(jīng)過首次壓平以后，后續(xù)加載和卸載曲線差異很小，可以認(rèn)為已經(jīng)消除材料的塑性影響，結(jié)構(gòu)進(jìn)入“安定”的狀態(tài)，整體上表現(xiàn)為非線性彈性。這里的非線性主要由結(jié)構(gòu)的大變形造成，屬于幾何非線性。
在首次壓平加載過程中，結(jié)構(gòu)存在切向剛度為負(fù)的現(xiàn)象，極限載荷約為11.1KN，極限位移約為2.35mm。
更多碟簧的信息歡迎訪問聚四氟乙烯墊片網(wǎng)站：奧賽羅密封 咨詢電話：0311-87316999 奧賽羅密封誠招代理商
.png){kind=small}