1、弹簧 CAD 软件的开发00 前言本课题是设计一个运用 VB 语言的软件，该软件可以进行弹簧设计，在 VB系统的引导下输入已知参数，选择计算条件，即可获得初步计算结果并进行多个方案的比较，可以获得操作者满意的设计计算结果。本课题的来源、基本前提条件和技术要求：a) 本课题的来源：在工程设计中，经常要碰到弹簧设计的问题，传统的方法很繁琐，本课题的设想是利用本软件简化常规设计的繁琐过程，节省设计时间，并运用计算机辅助设计，根据给定的条件完成弹簧设计及校核，让弹簧设计人员在很短的时间内能够得到合适的设计参数。b) 要完成本课题的基本前提条件是：必须熟悉弹簧设计的流程，再确定方案。c) 要完成本课题技
2、术要求是：必须能够熟练运用 VB 语言进行简单的程序设计。本课题要解决的主要问题和设计总体思路：a) 本课题解决的主要问题：弹簧 CAD 软件开发的程序流程、数据库的创建及调用该怎样实现、弹簧强度校核时的参考依据、网页的制作以及数据库的更新问题。b) 本课题的设计总体思路：本软件的技术路线分两部分，第一步是弹簧的设计及强度校核部分，这里面将涉及到数据库技术。第二部为 Visual Basic 与 Web 。利用 Microsoft Frontpage 制作网页，然后通过 Visual Basic 调用网页。总体方案论证，论证该方案的可行性，具体为在 VB 中能否根据给定的条件完成弹簧的参数设计
3、，然后在宏观上列出即将设计的弹簧软件的程序界面，理清每个界面之间的链接以及各参数变量之间的关系。完成本课题需要对Visual BASIC 进行深入地学习，对数据库的建立和管理有所掌握，对网页的调用有一定的了解。 预期的经济效益和社会效益：a) 经济效益：本软件从使用者的角度出发，体现了简明、通俗、易操作的特点，极易被用户所接受，因此，市场前景看好。b) 社会效益：一旦本软件投入生产，能够节省大部分因设计和计算的时间，因此能够提高社会生产率。本论文将对弹簧 CAD 软件设计的全部过程进行阐述，共分为六篇：第一篇为计算机辅助设计概述。简要讲述了计算机辅助设计的软件组成、技术特点以1及在工程中的作用
4、和意义等。第二篇为弹簧的计算机辅助设计。讨论了弹簧设计的特点和内容以及弹簧 CAD 软件的设计。第三篇为关键技术的阐述。讨论了该软件设计过程中所涉及到的关键技术。第四篇为软件开发。分别讨论了开发平台的选择、总体设计及软件制作过程。第五篇为测试及应用。第六篇为结论。本论文力求做到：a) 反映最新的设计思想b) 反映与总结作者的设计成果c) 理论联系实际由于软件设计博大精深，作者的知识水平与实践经验远不能与此相适应，故书中的内容定有不当或错误之处，恳请老师和同学批评指正。弹簧 CAD 软件的开发21 弹簧的计算机辅助设计1.1 计算机辅助设计的构成、特点、作用及意义1.1.1 计算机辅助设计系统的
5、软件构成计算机辅助设计系统的软件构成如图 1-1 所示。 图 1-1 软件构成图 1-1 CAD 系统的软件组成软件分为两大类：支撑软件和应用软件。支撑软件包括操作系统（实现对硬件的控制和资源的管理），程序设计语言（Fortran、Basic、C、二次开发语言和汇编语言）及其编辑系统，数据库管理系统（对数据的输入、输出、分类、存储、检索进行管理）和图形支撑软件（AutoCAD）。另一类是应用软件，它是根据本领域工程特点，利用支撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统。应用软件系统包括：设计计算方法库（常用数学方法库、统计数学方法库、常规设计计算方法库、优化设计方法库、可靠性设计软件
6、、动态设计软件等）和各种专业程序库（常用机械零件设计计算方法库、常用产品设计软件包等）。目前在二维 CAD 软件方面，国内已经开发出众多的应用软件，主要包括基于 AutoCAD 平台和自主平台两类应用软件。1.1.2 计算机辅助设计的技术特点：a) 图形处理技术 如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。b) 工程分析技术 如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。c) 数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数据管理、产品数据规范及接口技术等。d) 文挡处理技术 如文挡制作、编辑及文字处理等。1.1.3 计算机辅助设计在工程中的作用以意义3计算机辅助绘图是 CAD 中
7、工程应用中最成熟的领域，一个完善的 CAD 系统，应包括交互式图形程序库、工程数据库和应用程序库。对于产品或工程的设计，借助 CAD 技术，可以大大缩短设计周期，提高设计效率。1.2 弹簧设计的特点及内容1.2.1 拉伸弹簧设计的特点及内容圆柱螺旋拉伸弹簧主要用于受拉伸载荷的场合，如联轴器过载安全装置中用的拉伸弹簧以及棘轮机构中棘抓复位拉伸弹簧，变形和应力的方向相反。因此，圆柱螺旋压缩弹簧的基本计算公式同样可用于拉伸弹簧。a) 圆柱螺旋拉伸弹簧的初拉力的确定圆柱螺旋拉伸弹簧的初拉力取决于材料种类、材料直径、旋绕比和加工方法。采用卷制后不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如果不要
8、初拉力，则各圈间应有间隙。卷成后经淬火的拉伸弹簧没有初拉力。b) 弹簧材料的选取弹簧材料的选取主要根据弹簧的工作条件，弹簧承受的载荷类型，是否受冲击载荷以及弹簧材料的许用力等因素确定，同时也应考虑弹簧制造的工艺性。弹簧用不锈钢丝 A 组 体现的性能：耐腐蚀，耐高、低温，用于腐蚀或高、低温工作条件的小弹簧；阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝 体现的性能：强度高，性能好，用于内燃机阀门弹簧或类似用途弹簧；油淬火回火碳素弹簧钢丝 A、B 类 体现的性能：强度高，性能好，适用于普通机械用弹簧，B 类较 A 类强度高； 油淬火回火硅锰合金弹簧钢丝 A、C 类 体现的性能：强度高，弹性好，易脱碳，用于较高载荷的
9、弹簧。A 类用于一般用途和汽车悬挂弹簧，C 类用于汽车悬挂弹簧；弹簧用不锈钢丝 B 组 体现的性能：耐腐蚀，耐高、低温，用于腐蚀或高、低温工作条件的小弹簧；阀门用油淬火回火铬钒合金弹簧钢丝 体现的性能：有较高的疲劳强度，用于较高工作温度的高应力内燃机阀门弹簧或其他类似弹簧；弹簧用不锈钢丝 C 组 体现的性能：耐腐蚀，耐高、低温，用于腐蚀或高、低温工作条件的小弹簧。c) 弹簧材料许用力 弹簧常在变载荷和冲击载荷下工作，而且要求在承受较大应力情况下不产生塑性变形，因此要求弹簧材料具有较高的抗拉强度极限、弹性极限和疲劳强度极限，不易松弛。同时要求有较高的冲击韧性，良好的热处理性能等。弹簧弹簧 CAD
10、 软件的开发4的材料许用力与材料种类、载荷性质、热处理方法、弹簧丝的尺寸、弹簧的工作条件和重要程度有关。许用应力按弹簧的受载情况和变载荷循环次数分为三类，循环次数在 1000000 以上的弹簧为 I 类，循环次数在 1000100000 之间及受冲击载荷弹簧为 II 类，循环次数在 1000 以下的弹簧为 III 类。考虑到经济性，应优先采用碳素弹簧钢，用以制造尺寸较小的一般用途的螺旋弹簧和板弹簧。对于受冲击载荷的弹簧应选用硅锰钢、铬钒钢等。在变载荷作用下，以铬钒钢为宜。对于腐蚀介质下工作的弹簧，应采用不锈钢和铜合金。1.2.2 压缩弹簧设计的特点及内容圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧与圆柱螺旋拉伸弹
11、簧相同，它主要用于受拉伸载荷的场合，如联轴器过载安全装置中用的拉伸弹簧以及棘轮机构中棘抓复位拉伸弹簧，只是变形和应力的方向相同。因此，圆柱螺旋压缩弹簧的基本计算公式同样可用于拉伸弹簧。a) 圆柱螺旋压缩弹簧的弹簧刚度的确定圆柱螺旋压缩弹簧的弹簧刚度与安装高度、工作载荷、工作行程有关系，与其它的参数无关。b) 圆柱螺旋压缩弹簧的材料的选择弹簧材料的选取主要根据弹簧的工作条件，弹簧承受的载荷类型，是否受冲击载荷以及弹簧材料的许用力等因素确定，同时也应考虑弹簧制造的工艺性，具体的参照上面拉伸弹簧部分。c) 圆柱螺旋压缩弹簧的许用力圆柱螺旋压缩弹簧的许用力跟拉伸弹簧的许用力具体参照机械设计手册第三卷。
12、1.3 变量的选择1.3.1 压缩弹簧设计的变量选择变量名称 含义 单位a 安装载荷 Nb 安装载荷 Nc 工作载荷 Nd 工作行程 mme 弹簧刚度 N/mmf 载荷作用次数 次g 载荷类型 5name1 材料名称txml 弹性模量 MPaqbml 切变模量 MPaklqd 抗拉强度 MPaqyl 许用切应力 MPadimention1 钢丝直径 mmxrb 旋绕比thzj 弹簧中径 mmyxqs 有效圈数m 端部型式n 压并圈数取值范围l 压并圈数取值k 曲度系数h0 弹簧自由长度 mme1 弹簧实际刚度 N/mmwc 弹簧刚度相对误差 f1 弹簧安装变形量 mmf2 弹簧工作变形量 mm
13、fs1 试验载荷 N1.3.2 拉伸弹簧的变量选择变量名称 含义 单位a0 安装载荷 Nb0 工作载荷 Nc0 工作行程 mme0 试验载荷 Nwc1 刚度相对误差e2 实际刚度 N/mmazgd 安装高度 mmf0 载荷作用次数 次d0 工作行程 mm弹簧 CAD 软件的开发6name10 材料名称qbml0 切变模量 MPatxml0 弹性模量 MPa klqd0 抗拉强度 MPaxyqyl0 许用切应力 MPam1 端部型式n1 端部刚度长度系数xrb0 旋绕比 thzj0 弹簧中径 mmdimention2 钢丝直径 mmyxqs0 有效圈数k0 曲度系数f01 弹簧初拉力 Nx5 最
14、小变形比 x6 最大变形比tmin 最小切应力 Ntmax 最大切应力 Nfl1 安装变形量 mmfl2 工作变形量 mmfls 试验变形量 mmh01 弹簧自由长度 mm1.4 程序的流程图1.4.1 压缩弹簧设计的程序流程图7开 始输入 a,b,c,d,f计算 e,g选择 name1 确定 qbml、txml、klqd、qyl选择 m 确定 n、l根据 c、qyl、xrb 计算k、dimention1计算 thzj计算 yxqs计算 e1、wc判断弹簧特性、疲劳强度、共振验算、稳定性是否满足输出设计参数及计算结果结 束1.4.2 拉伸弹簧设计的程序流程图弹簧 CAD 软件的开发8开 始输入
15、 a0,b0,c0,f0、azgd计算 d0、e0,g0选择 name10 确定qbml0、txml0、klqd0、qyl选择 m1 确定 n1根据 b0、xyqyl0、xrb0、k 计算k0、dimention2计算 thzj0计算 yxqs0计算e2、wc1判断弹簧特性、疲劳强度是否满足输出设计参数及计算结果结 束1.5 弹簧的设计计算 41.5.1 压缩弹簧的设计计算给定初始条件：安装载荷、安装高度、工作载荷、工作行程、载荷作用次数，要求计算出弹簧参数：钢丝直径、弹簧中径、有效圈数等，校核时需计算安装变形量、工作变形量、试验变形量、试验载荷、弹簧特性 f1/fs、f2/fs、9最小切应力、最大切应力、切应力比、验算疲劳强度、验算共振是否满足要求、稳定性的验算等。a) 钢丝直径的设计公式(1-1)d1.6KCF(1-2)40.15d 钢丝直径C 旋绕比 k 曲度系数F 工作载荷平均许用切应力b) 弹簧中径的设计公式(1-3) DCdD钢丝直径c) 有效圈数的设计公式(1-4)48GnkG 切变模量k 要求弹簧刚度d) 实际弹簧刚度的设计公式(1-5)1e438dDne) 安装变形量(1-6)1Ffef1弹簧安装变形量F1安装载荷e1弹簧实际刚度f) 试验载荷(1-7) 38dsFsDKFs 试验载荷许用切应力s
