CN111597658B - 一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利公开了一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，该方法从试验获得随机材料参数、摩擦系数，从弹簧的具体结构形式获得随机尺寸参数，建立参数化有限元模型，分析各随机参数对弹簧力学特性的灵敏度，通过蒙特卡洛抽样计算弹簧力学特性满足设计要求的概率，通过限制尺寸公差、优选毛坯材料提升弹簧的力学特性合格率；通过上述方式，本发明适用于各类碟形弹簧，可指导尺寸公差制定、坯料优选，可减少加工工艺迭代次数、缩短试验周期，提高加工合格率，提高新型碟形弹簧的研发效率，有效降低研发成本。

Description

一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法
技术领域
本发明属于弹簧有限元分析技术领域，具体涉及一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法。
背景技术
碟形弹簧可在小变形情况下具有大承载力，具有较好的空间利用率，可具有常刚度、变刚度、零刚度、负刚度的力学特性，可用不同的方式组合，被广泛用于机床工业、石油工业、汽车工业以及航空航天工业等领域。碟形弹簧的母线为线段，其设计计算有理论公式可以参考。球面碟形弹簧是碟形弹簧的变体，其母线为圆弧，其设计计算主要通过经验公式或有限元分析实现。复杂的变种碟形弹簧，其母线可能有多段构成，各段可能为线段或其它曲线，其设计计算依赖有限元分析实现。
复杂变种碟形弹簧的尺寸参数可能很多，标准碟形弹簧的设计经验难以应用，影响弹簧力学特性的敏感因素难以凭经验判断，进而导致摸索加工工艺的迭代次数多、试验周期长，结构的尺寸公差难以确定，产品满足力学特性设计要求的合格率较低，研发成本高、效率低。
为了解决以上问题我方研发出了一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，包括以下步骤：
S1、根据弹性材料性能试验获得碟形弹簧的材料参数取值范围及其随机分布，根据碟形弹簧的具体结构形式获得结构尺寸参数、尺寸公差及随机分布，根据材料摩擦试验获得碟形弹簧的接触摩擦系数取值范围及随机分布；
S2、建立碟形弹簧的参数化有限元模型；
S3、验证参数化有限元模型；
S4、基于参数化有限元模型，分析各随机参数对碟形弹簧力学特性的灵敏度；
S5、基于参数灵敏度分析结果，计算各随机参数综合作用下，碟形弹簧力学特性的上、下限；
S6、判断碟形弹簧的力学特性上、下限是否超出设计区间，若超出设计区间则转至步骤S7，若未超出设计区间则转至步骤S11；
S7、用蒙特卡洛方法对各随机参数抽样，获得大量碟形弹簧样本；
S8、用参数化有限元模型计算各个碟形弹簧样本的力学特性，统计力学特性落在设计区间的概率，即力学特性合格率；
S9、判断力学特性合格率是否可以接受，若合格率可以接受则转至步骤S11,若合格率无法接受则转至步骤S10；
S10、参考灵敏度分析结果和加工能力，适当减小尺寸公差，改进工艺或合理选材降低材料参数、摩擦系数的随机性，转至步骤S5；
S11、以计算的尺寸及其公差为技术要求、优选坯料，批量投产。
具体地，在步骤S3中，参数化有限元模型的验证包括网格收敛性验证、碟形弹簧力学特性试验验证。
具体地，在步骤S1中，碟形弹簧的材料参数包括弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、延伸率。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，适用于各类碟形弹簧，可指导尺寸公差制定、坯料优选，可减少加工工艺迭代次数、缩短试验周期，提高了加工合格率，提高了新型碟形弹簧的研发效率，有效降低了研发成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的一个实施例的结构尺寸图；
图3为本发明的一个实施例的安装状态示意图；
图4为本发明的一个实施例的力学特性上、下限示意图。
图中：1-碟形弹簧；2-球面上压板；3-球面下压板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤1、结合以往试验数据及新增试验，测定碟形弹簧材料的力学性能，获得弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、延伸率的统计规律，确定各参数的随机分布。根据碟形弹簧的具体结构形式获得结构尺寸参数，如图2所示(图2中，示出了一种三段式碟形弹簧1，其余为该碟形弹簧的尺寸参数，D1、D2、D3、D4为三段式碟形弹簧1的四个直径，F1、F2是段间导圆半径，T为碟形弹簧厚度，SR为碟形弹簧1的球面半径，H为球面上压板2与球面下压板3的间隙)，此碟形弹簧共有9个尺寸参数，根据经验或产品试制初步确定各尺寸公差及随机分布。根据材料摩擦试验获得碟形弹簧的接触摩擦系数取值范围及随机分布。
步骤2、如图3所示，在自研有限元计算程序中，建立碟形弹簧的参数化有限元模型，所有尺寸参数、材料参数、摩擦系数均参数化。
步骤3、验证所述参数化有限元模型，开展碟形弹簧力学特性的网格收敛性分析，实测试制碟形弹簧样品的力学特性，对比校验计算模型。
步骤4、基于参数化有限元模型，分析各随机参数对碟形弹簧力学特性的灵敏度。逐个分析各个随机参数，每个随机参数在变化范围内均匀取7个点，分析某个随机参数时，其余参数取平均值。对各随机参数的灵敏度计算结果排序，获得影响碟形弹簧力学特性的敏感因素。
步骤5、基于参数灵敏度分析结果，计算各随机参数综合作用下，碟形弹簧力学特性的上、下限，如图4所示。
步骤6、判断碟形弹簧的力学特性上、下限是否超出设计区间，若超出设计区间则转步骤7，若未超出设计区间则转步骤11。
步骤7、用蒙特卡洛方法对各随机参数抽样，获得1000个碟形弹簧样本。
步骤8、用参数化有限元模型计算各个碟形弹簧样本的力学特性，统计力学特性落在设计区间的概率，即力学特性合格率。
步骤9、判断力学特性合格率是否可以接受，若合格率可以接受则转步骤11,若合格率无法接受则转步骤10。
步骤10、参考灵敏度分析结果和加工能力，适当减小尺寸公差，合理选材降低材料参数、摩擦系数的随机性，转步骤5。
步骤11、以计算的尺寸及其公差为技术要求、优选坯料，然后批量投产。
采用本实施例的方法，此碟形弹簧的加工合格率可达70％以上，而未采用本发明的方法，加工合格率为10％-20％；因此，采用本发明的方法大大提供了碟形弹簧的加工合格率。
本申请中，碟形弹簧不限于标准的碟形弹簧，也包括碟形弹簧的其它各类变种。
本申请中，参数化有限元模型将所有尺寸参数、材料参数、摩擦参数全部参数化，可以在自研有限元计算程序中建立及分析，也可以在各类商用有限元软件中建立及分析。
本申请中，参数化有限元模型的验证，包括网格收敛性验证、碟形弹簧力学特性试验验证。
本申请中，碟形弹簧的尺寸公差主要通过计算确定。
本申请中，碟形弹簧力学特性合格率的提升源于尺寸公差的计算控制，以及毛坯材料的优选。
采用本实施例的方法，此碟形弹簧的加工合格率可达70％以上，而未采用本发明的方法，加工合格率为10％-20％；因此，采用本发明的方法大大提供了碟形弹簧的加工合格率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (3)

1.一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据弹性材料性能试验获得碟形弹簧的材料参数取值范围及其随机分布，根据碟形弹簧的具体结构形式获得结构尺寸参数、尺寸公差及随机分布，根据材料摩擦试验获得碟形弹簧的接触摩擦系数取值范围及随机分布；
S2、建立碟形弹簧的参数化有限元模型；
S3、验证参数化有限元模型；
S4、基于参数化有限元模型，分析各随机参数对碟形弹簧力学特性的灵敏度；
S5、基于参数灵敏度分析结果，计算各随机参数综合作用下，碟形弹簧力学特性的上、下限；
S6、判断碟形弹簧的力学特性上、下限是否超出设计区间，若超出设计区间则转至步骤S7，若未超出设计区间则转至步骤S11；
S7、用蒙特卡洛方法对各随机参数抽样，获得大量碟形弹簧样本；
S8、用参数化有限元模型计算各个碟形弹簧样本的力学特性，统计力学特性落在设计区间的概率，即力学特性合格率；
S9、判断力学特性合格率是否可以接受，若合格率可以接受则转至步骤S11,若合格率无法接受则转至步骤S10；
S10、参考灵敏度分析结果和加工能力，适当减小尺寸公差，改进工艺或合理选材降低材料参数、摩擦系数的随机性，转至步骤S5；
S11、以计算的尺寸及其公差为技术要求、优选坯料，批量投产。
2.根据权利要求1所述的一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，其特征在于，在步骤S3中，参数化有限元模型的验证包括网格收敛性验证、碟形弹簧力学特性试验验证。
3.根据权利要求1所述的一种提高各类碟形弹簧加工合格率的方法，其特征在于，在步骤S1中，碟形弹簧的材料参数包括弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、延伸率。
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