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摘要：弹簧作为车辆走行部的关键零部件，其性能质量直接影响行车的安全性，而弹簧卷制的质量直接影响着弹簧的性能.以某高速列车用螺旋弹簧为例，用Marc以及非线性分析方法和虚拟样机技术模拟弹簧卷制的实际过程，从而预测弹簧的成型过程、棒料的应力和应变、工装的应力和应变，优化弹簧卷制工艺，提高弹簧卷制工艺水平，达到提高产品质量和减少试制成本的目的.
关键词：螺旋弹簧； 卷制； Marc
：B
0引言
随着铁路的提速，我国对高速、重载列车关键部件的需求巨大，全面采用进口产品增加国内铁路提速的成本，不利于高速、重载列车配套产业的持续发展.因此，对高速、重载列车关键部件进行研究并尽快实现国产化的问题已经迫在眉睫.弹簧作为车辆走行部关键零部件，其质量直接影响行车的安全性，必须提高弹簧的加工工艺水平以满足高速、重载列车弹簧的性能要求.弹簧的热卷作为生产过程中的关键工序，直接影响弹簧的性能.
目前，热卷弹簧卷制采用现场试验并反复修改成型直至卷制出符合要求的弹簧的方法，但是此过程准确率比较低，反复的次数也比较多，浪费大量的原材料，而且热卷之前的加热工序也浪费很多资源.反复试验的成本较高，所以有必要采用虚拟样机技术反复模拟卷制过程，得到满意的成型路线，再以此路线进行现场试验，从而能高效完成弹簧的卷制，提高弹簧卷制工艺的水平，降低试验成本.
1弹簧热卷的过程分析
通过咬块将930 ℃高温的棒料固定在芯轴上，辅以导向轮定位，使芯轴的进给和旋转带动棒料以螺旋线的轨迹运动，从而完成弹簧的成型.
由弹簧的成型原理可以看出，弹簧的卷制是高度复杂的非线性问题.此棒料在卷制过程中会发生塑性应变，属于材料非线性问题；卷制是大转动、大变形的过程，属于几何非线性问题；
2卷制模拟分析的步骤
卷制分析的步骤主要包括：建立仿真模型、定义材料属性、定义接触体及接触关系、定义初始条件和边界条件、定义工况、提交计算和查看分析结果等.
接触算法的整个过程包括定义接触体、探测接触、施加接触约束、模拟摩擦、修改接触约束、检查约束的变化、判断分离和穿透等.
将棒料分段定义为柔性体，将芯轴、收尖轮、导向轮和咬块等定义为刚体，并定义各刚体的运动轨迹，根据现场的实际情况，棒料和所有的刚体均被定义为接触关系，为了与现场具有较好的一致性，定义摩擦因数为0.3.
摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的硬度、湿度、法向应力和相对滑动速度等特性有关.本文采用的是库伦摩擦，可描述为ft≤-μfnt （1）式中：ft为剪切力；fn为法向作用力；μ为摩擦因数.
采用双线性库伦摩擦模型，该模型基于相对切向位移，但双线性模型检测定黏性和滑动阶段分别对应弹性相对位移和塑性相对位移，而非定义特定的强制黏着约束，其模型见图2.
图2中，δ为滑动阀值，即低于该相对滑动位移时将接触关系模拟为黏性.另外，该模型还采用摩擦力做为附加的收敛判断准则，应满足式（2）时认为达到收敛.Ft-FptFt≤e （2）式中：Ft为当前总摩擦力矢量；Fpt为前一增量步折总摩擦力矢量；e为摩擦力容差，缺省值为0.0
根据卷制的实际过程，本文采用多步分析，即慢卷—机械手作用—快卷—收尖.在这一系列的分析步中，每一个分析步的起始状态是前一分析步的结束状态.
收敛控制包括收敛判据和收敛容差.收敛判据监控在哪个范围内迭代程序达到平衡状态，当收敛比小于指定容差时，迭代终止.本文采用的收敛判据为残差范数，其目标是保证残余力远小于外力.[3]Fresidual∞Freaction∞≤t1 （3）式中：Fresidual∞为绝对值最大的残余内力向量；Freaction∞为绝对值最大的外反力；t1为用户制定的收敛容差.
通过多次修改卷制程序，对仿真结果和现场卷制后的结果进行对比，二者的变化趋势一致，通过大量的分析能够总结参数的变化对弹簧形状的影响程度，从而为卷制程序的制定提供依据.4结束语
以某大功率机车弹簧为例，采用非线性分析方法对弹簧的成型过程进行模拟分析，介绍模拟分析的方法和步骤，并以相同试验工况和相同的卷制成型程序进行试验，通过多次程序的对比，仿真计算结果与试验结果的变化趋势一致，证明仿真计算方法准确.同时，经过仿真分析可以得到卷制过程中的弹簧的应力、芯轴的反作用力，可以为工装的设计提供理论支持.该方法可以在计算机中反复进行仿真分析，最终得到准确的成型路线，从而指导现场的卷制工艺，减少试验次数，降低试验成本.
参考文献：
陈火红. Marc/Mentat 2003基础与应用实例[M]. 北京： 科学出版社， 2004： 7-8.
陈火红. Marc接触分析培训教程[K]. 北京： MSC Software公司， 2005： 1-3.
[3]孙丹丹. 非线性问题的数值分析[K]//MSC Software 培训教程.（编辑于杰）
关键词：螺旋弹簧； 卷制； Marc
：B
0引言
随着铁路的提速，我国对高速、重载列车关键部件的需求巨大，全面采用进口产品增加国内铁路提速的成本，不利于高速、重载列车配套产业的持续发展.因此，对高速、重载列车关键部件进行研究并尽快实现国产化的问题已经迫在眉睫.弹簧作为车辆走行部关键零部件，其质量直接影响行车的安全性，必须提高弹簧的加工工艺水平以满足高速、重载列车弹簧的性能要求.弹簧的热卷作为生产过程中的关键工序，直接影响弹簧的性能.
目前，热卷弹簧卷制采用现场试验并反复修改成型直至卷制出符合要求的弹簧的方法，但是此过程准确率比较低，反复的次数也比较多，浪费大量的原材料，而且热卷之前的加热工序也浪费很多资源.反复试验的成本较高，所以有必要采用虚拟样机技术反复模拟卷制过程，得到满意的成型路线，再以此路线进行现场试验，从而能高效完成弹簧的卷制，提高弹簧卷制工艺的水平，降低试验成本.
1弹簧热卷的过程分析
通过咬块将930 ℃高温的棒料固定在芯轴上，辅以导向轮定位，使芯轴的进给和旋转带动棒料以螺旋线的轨迹运动，从而完成弹簧的成型.
由弹簧的成型原理可以看出，弹簧的卷制是高度复杂的非线性问题.此棒料在卷制过程中会发生塑性应变，属于材料非线性问题；卷制是大转动、大变形的过程，属于几何非线性问题；
源于：免费论文网站www.udooo.com
另外导向轮与棒料的接触以及棒料与芯轴的接触又属于接触问题.对于高度非线性问题必须采用数值分析方法才能够解决.本文应用Marc有限元分析软件对此非线性问题进行模拟分析，此软件是功能齐全的高级非线性有限元分析软件，具有极强的结构分析能力，能够模拟弹簧的卷制过程.2卷制模拟分析的步骤
卷制分析的步骤主要包括：建立仿真模型、定义材料属性、定义接触体及接触关系、定义初始条件和边界条件、定义工况、提交计算和查看分析结果等.
2.1建立有限元仿真模型
所用弹簧为某动车用弹簧，为金属圆柱螺旋钢弹簧，弹簧卷制模拟分析所用的主要参数见表1.2.2定义材料属性
由于此弹簧为热卷弹簧，即在高温状态下进行卷制，所以必须定义材料在高温下的特性，包括弹簧的密度、杨氏弹性模量、泊松比、材料的塑性应变曲线、材料的热膨胀系数、对流换热系数和热导率等.2.3定义接触体及接触关系
从力学角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确跟踪接触前多个物体的运动以及接触发生后这些物体之间的相互作用，同时包括正确模拟接触面之间的摩擦行为.数学上施加无穿透接触约束的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法等.本文采用基于直接约束的直接算法，该算法适用于事先无法预知接触发生区域的接触问题，程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域，施加接触约束.接触算法的整个过程包括定义接触体、探测接触、施加接触约束、模拟摩擦、修改接触约束、检查约束的变化、判断分离和穿透等.
将棒料分段定义为柔性体，将芯轴、收尖轮、导向轮和咬块等定义为刚体，并定义各刚体的运动轨迹，根据现场的实际情况，棒料和所有的刚体均被定义为接触关系，为了与现场具有较好的一致性，定义摩擦因数为0.3.
摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的硬度、湿度、法向应力和相对滑动速度等特性有关.本文采用的是库伦摩擦，可描述为ft≤-μfnt （1）式中：ft为剪切力；fn为法向作用力；μ为摩擦因数.
采用双线性库伦摩擦模型，该模型基于相对切向位移，但双线性模型检测定黏性和滑动阶段分别对应弹性相对位移和塑性相对位移，而非定义特定的强制黏着约束，其模型见图2.
图2中，δ为滑动阀值，即低于该相对滑动位移时将接触关系模拟为黏性.另外，该模型还采用摩擦力做为附加的收敛判断准则，应满足式（2）时认为达到收敛.Ft-FptFt≤e （2）式中：Ft为当前总摩擦力矢量；Fpt为前一增量步折总摩擦力矢量；e为摩擦力容差，缺省值为0.0
5.46-49
2.4定义初始条件和边界条件
由于热卷弹簧在高温下进行卷制，需定义加热后的温度为初始条件，卷制过程需要50 s，加热后棒料的温度变化不大，为计算方便，可以不考虑其在卷制过程中与空气的换热，检测设温度始终保持出炉时的温度.2.5定义工况
定义工况的目的是负责对以上定义的边界条件、载荷条件进行选择，形成所需的载荷工况.定义迭代求解方法、迭代步数和迭代步长，定义收敛判断标准.根据卷制的实际过程，本文采用多步分析，即慢卷—机械手作用—快卷—收尖.在这一系列的分析步中，每一个分析步的起始状态是前一分析步的结束状态.
收敛控制包括收敛判据和收敛容差.收敛判据监控在哪个范围内迭代程序达到平衡状态，当收敛比小于指定容差时，迭代终止.本文采用的收敛判据为残差范数，其目标是保证残余力远小于外力.[3]Fresidual∞Freaction∞≤t1 （3）式中：Fresidual∞为绝对值最大的残余内力向量；Freaction∞为绝对值最大的外反力；t1为用户制定的收敛容差.
2.6提交计算并查看结果
由图3和4可知，卷制完成后，弹簧所受的最大应力为193.4 MPa，发生在弹簧的内侧，与实际相符.通过对芯轴作用力的分析，可以为芯轴的设计校核提供依据.通过多次修改卷制程序，对仿真结果和现场卷制后的结果进行对比，二者的变化趋势一致，通过大量的分析能够总结参数的变化对弹簧形状的影响程度，从而为卷制程序的制定提供依据.4结束语
以某大功率机车弹簧为例，采用非线性分析方法对弹簧的成型过程进行模拟分析，介绍模拟分析的方法和步骤，并以相同试验工况和相同的卷制成型程序进行试验，通过多次程序的对比，仿真计算结果与试验结果的变化趋势一致，证明仿真计算方法准确.同时，经过仿真分析可以得到卷制过程中的弹簧的应力、芯轴的反作用力，可以为工装的设计提供理论支持.该方法可以在计算机中反复进行仿真分析，最终得到准确的成型路线，从而指导现场的卷制工艺，减少试验次数，降低试验成本.
参考文献：
陈火红. Marc/Mentat 2003基础与应用实例[M]. 北京： 科学出版社， 2004： 7-8.
陈火红. Marc接触分析培训教程[K]. 北京： MSC Software公司， 2005： 1-3.
[3]孙丹丹. 非线性问题的数值分析[K]//MSC Software 培训教程.（编辑于杰）