·机械研究与应用·研究与分析基于有限元的非线性弹簧分析周北岳，周韧，周勇(湖南理工学院高压电器研究中心，湖南岳阳414000)摘要：基于CAD／CAE集成软件Pro／Engineer，对一类非线性弹簧在断路器操动机构中的应用进行了初步研究。首先对传统弹簧在外载下的应力水平进行了分析。为便于对比，还基于ANSYS对一类与传统弹簧同外径的等外径变丝径螺旋弹簧进行了研究，分析结果表明在同等位移负载条件下，由于弹簧簧圈间的接触作用，非线性弹簧的力——位移曲线呈现出了明显的非线性，并且其内部的应力分布水平比普通弹簧要小得多。同时，分析结果也为其它非线性弹簧的设计和应用提供了参考。关键词：非线性弹簧；有限元；Pro／Engineer；CAD／CAE中图分类号：0343；TM561文献标识码：A文章编号：1006—4414(2009)06—0037—03AnalysisofnonlinearspringbasedonfiniteelementmethodZhouBei—yue，ZhouRen，ZhouYong(Researchcenterofhigh—voltageapparatus，HunanindustUofscience&technology，YueyangHunan414000，China)Abstract：Theapplicationofthenon—linerspringinthecircuit—breakeractuatorbasedonthePro／Engineerintegratedsoft—wareofCAD／CAEispreliminarilyresearchedinthispaper．Firstlythestresslevelunderexternalloadsisanalyzed．Forfacili—tatecomparison．theessayalsostudiesthespringofequaloutdiameterandvariablesteeldiameterswhichhasthesanlediame—terwithtraditionalspringbasedonANSYS．Theresultsshowthattherelationsbetweentheforcesandthedisplacementsinthenonlinearspringareobviousnonlinear，andtheinnerstresslevelofthenonlinearspringismuchlowerthanthetraditionalspring．Meanwhile，thecomputingdatacanbeservedasreferencesfordesignandapplicationofothernonlinearsprings．Keywords：nonlinearspring；finiteelement；Pro／Engineer；CAD／CAE1引言弹簧操动机构利用储能的弹簧为驱动力来实现断路器的分合闸动作，该类操动机构成本低廉，是断路中最常用的操动机构之一¨。对于断路器的触头而言，过低的工作压力不仅使动静触头虚接，增加了接触电阻，而且还导致断路器无法克服电动斥力；过高的工作压力将增加动静触头的闭合难度，易使触片发生变形及使镀银层过早发生脱落¨J。弹簧操动机构的特性直接关系到动静触头的压力，对断路器的工作安全有重要的影响⋯。在弹簧操动机构中，弹簧是触头工作压力大直接提供者，因此，弹簧的设计变成为这类操动机构设计的关键。断路器的所需的操作功一般较大，增加弹簧的输出力可能会导致弹簧结构尺寸或运动空间过大。因此，开展非线性弹簧的研究显得非常有必要。本文基于Pro／Engineer软件，首先建立了断路器螺旋拉伸弹簧的三维CAD模型，并对弹簧在外部载荷作用下弹簧的静态变形进行了分析。分析结果证实了本文所建模型的正确性。另外，基于ANSYS有限元软件，本文还对一类等外径变丝径非线性弹簧进行了数值研究。结果表明，在同等位移负载条件下，非线性弹簧内部的应力分布水平比普通弹簧要低很多，展示了非线性弹簧的优越性。同时，本文计算结果也为其它非线性弹簧的设计提供了参考。2传统螺旋弹簧模型及分析有限元是一门发展的比较成熟的数值分析技术，其最终目的是要实现对实际物理系统行为的精确再现。要对某一机械系统进行有限元分析，必须首先建立该系统精确的数字化几何模型。Pro／Engineer是当前最流行的高端三维CAD软件之一，它所提供的参数化实体建模功能为用户提供了方便、快捷的几何模型生成方法。本文首先使用该软件提供的螺旋扫描功能建立了一真空断路器操动机构用普通螺旋拉伸保持弹簧的几何模型，如图1所示。Pro／Engineer不仅具有非常强大的三维实体建模能力，而且具有较强的对机械零部件进行结构强度分析和仿真功能。Pro／Engineer采用P型有限单元对结构进行模拟4j。该型单元具有在较少的单元划分条件下，就可以对复杂的三维实体结构进行较精确分析的能力。同时，3D实体单元对实际结构简化较项目：湖南省科技计划项目(06FJ3142、2008GK3064、2008GK3057)，岳阳市科技计划项...
