Интерфейс модуля Mechanical платформы Workbench позволяет задать между геометрическими объектами предварительно нагруженную пружину. В числе параметров, которые необходимо указать пользователю, – продольная жесткость (в единицах силы, делённых на единицу длины), а также, при необходимости, величина демпфирования. В данной статье описано задание пружины и получаемые результаты, в особенности для случая, когда пружина является предварительно растянутой.

Настройка пружины (Spring Connection)

Для задания пружины в Workbench Mechanical пользователю необходимо добавить соответствующий объект в папке «Connections» (соединения) дерева структуры модели. Для обеих концов пружины («Reference» и «Mobile») задаются геометрические объекты, с которыми они связываются, а также тип связи (жесткая или деформируемая). Деформируемая связь делает возможным термическое расширение модели без возникновения локальных всплесков напряжений у места присоединения пружины. Далее задаётся значение продольной жесткости пружины и/или величина демпфирования. Для указания предварительной нагрузки есть два варианта: ввести её значение непосредственно, либо же ввести длину пружины в ненапряженном состоянии, отличную от длины пружины, которая задана в текущей геометрии. В обеих вариантах подразумевается, что, так как пружина связывается с недеформированной геометрией и имеет при этом начальное натяжение, она будет деформировать модель в процессе расчёта. На рисунке 1 выше приведено окно с настройками пружины с явно заданной предварительной нагрузкой в 200Н.

Ниже, на рисунке 2, изображено деформированное состояние модели, возникающее из-за предварительной нагрузки в пружине. Величина упругой силы, которая осталась в пружине после деформации модели, может быть получена с помощью соответствующего инструмента (Spring Probe).

Обратите внимание на то, полученная в пружине сила не равна значению 200Н, которое задавалось в качестве предварительной нагрузки. Это произошло потому, что конструкция деформировалась, длина пружины уменьшилась, а значит, уменьшилось и усилие в пружине, пока конструкция не достигла равновесия. Если продольная жесткость пружины будет большой в сравнении с изгибной жесткостью соединяемых пластин, снижение силы в пружине также будет значительным казино ПариМатч. Если же жесткость пружины мала – сила в пружине почти не изменится. В подобных моделях с предварительно нагруженными пружинами следует обращать внимание на величины снижения приложенных усилий, происходящих вследствие деформации модели. Очень маленькие значения жесткости пружины могут вызвать затруднения в сходимости расчёта.

Для того, чтобы усилие в пружине плавно росло со временем расчёта (load ramping), следует включить учёт больших перемещений (Large Deflection) в свойствах (Details) объекта «Analysis Settings» (настройки расчёта):

График усилия в пружине, получаемый с помощью «Spring probe», иллюстрирует поэтапное увеличение нагрузки, которое становится активным в расчёте с учётом больших перемещений (Large Deflection):

Стоит отметить, что в расчёте в рамках малых перемещений (с настройками по умолчанию) усилие в пружине прикладывается сразу и не изменяется по времени расчёта:

Такие пружины могут использоваться для моделирования соединительных элементов, стягивающих детали или же, наоборот, приводящих к их отталкиванию, при этом использование пружины зачастую более предпочтительно, чем приложение пары противоположно направленных коллинеарных сил. В особенности это относится к расчётам с учётом больших перемещений, так как в процессе такого расчёта нагрузка будет плавно нарастать, постоянно оставаясь направленной по оси пружины вне зависимости от характера деформации деталей. Что касается возможности задания предварительной нагрузки, она может быть использована для моделирования тандерных соединений или затяжки резьбового соединения.

Заключение

В папке «Connections» (соединения) дерева структуры модели ANSYS Workbench Mechanical можно задать объект пружины и выбрать для него геометрические элементы, с которым он будет связан. Усилия в пружине действуют только вдоль её оси, она не воспринимает изгибающих моментов или сдвиговых усилий. Для пружины можно задать предварительную нагрузку в явном виде или через длину в ненапряжённом состоянии, отличную от заданной в имеющейся геометрии. В расчёте с учётом больших перемещений нагрузка на пружины будет прикладываться постепенно, в то время как при расчёте в рамках малых перемещений усилие прикладывается сразу и не изменяется.

При деформации конструкции, с которой связаны пружины высокой жесткости, усилие в пружине уменьшается по сравнению с изначально заданным. В пружинах малой жесткости усилие предварительного натяжения почти не изменяется. Для оценки этого явления можно использовать инструмент для получения усилия в пружине «Spring Probe».

Источник: www.ansys.soften.com.ua