力升波形弹簧有限元分析及变形特性研究

一、分析背景

波形弹簧（Wave Spring）作为一种高效、紧凑的弹性元件，广泛应用于轴向安装空间受限的机械系统中，如机械密封、阀门、离合器以及旋片泵（Rotary Vane Pump）等。与传统螺旋压缩弹簧相比，波形弹簧能在更短的工作高度下提供相同的弹力输出，从而显著减小装配空间并提升系统效率。正逐渐取代传统螺旋压缩弹簧，成为许多高端设备中的关键零部件。
为深入理解波形弹簧在受载过程中的力学响应与变形特征，本文基于有限元方法（Finite Element Method, FEM）对其进行了静力结构分析。

二、有限元模型建立

1. 几何建模

本文研究对象为一组力升单层波形弹簧，截面为矩形，波峰数量为3。模型通过CAD软件建立后导入ANSYS Workbench进行分析。

2. 材料参数

材料选用不锈钢 17-7PH，其主要性能参数如下：

• 弹性模量：200 GPa

• 泊松比：0.3

• 密度：7.8×10³ kg/m³

3. 网格划分

采用四面体单元（Tetrahedral Elements）划分网格，重点区域（波峰、波谷）进行局部加密，以提高变形与应力预测精度。

4. 边界与载荷条件

• 下平面固定约束（Fixed Support），模拟波形弹簧与固定座的接触。

• 上平面施加均布位移载荷（Displacement Load），模拟压缩工况。

• 计算目标为总变形量（Total Deformation）及其分布规律。

三、仿真结果与分析

下图为浙江力升波形弹簧在静态压缩下的总变形云图：

（图示：Total Deformation 分布）

从图中可以看出：

• 最大变形出现在波峰区域（图中红色部分），数值约为 3.35 mm；

• 最小变形位于波谷与支撑接触处（图中深蓝色区域），数值约为 0.0003 mm；

• 变形分布呈现周期性，与波形几何结构相一致。

该结果表明，波形弹簧在受压时具有明显的非线性刚度特征，其弹性变形主要集中在波峰过渡区。合理的波形设计可使应力与变形分布更加均匀，从而延长弹簧寿命并提高稳定性。

四、结果验证与工程启示

通过仿真结果可得出以下结论：

1. 弹簧压缩位移与载荷呈非线性关系，适合需要逐级增刚的应用场合。

2. 波峰形状对性能影响显著——波幅越大，最大变形越明显，但应力集中也更强。

3. 有限元仿真可有效预测弹簧的工作性能，在设计阶段帮助优化波形参数（波距、波高、厚度）。

五、结论

本文利用ANSYS对波形弹簧进行了静力结构分析，获得了其在压缩工况下的变形分布规律。研究结果为波形弹簧在机械密封、旋片泵及紧凑型机械装置中的应用提供了理论支持和设计依据。后续工作可结合接触非线性与动态载荷进行进一步研究，以更准确地模拟实际工况。