螺旋彈簧仿真的案例
仿真案例｜懸架螺旋彈簧自動化設計和優化
如今這種方法仍十分有用，因為它可對圓柱形螺旋壓縮彈簧進行簡單的尺寸分析。
第一種載荷傳遞類型的兩個示例如圖1所示。彈簧布置在阻尼器周圍以合成一個部件。端端相連，無橫向偏移。這樣，圓柱形彈簧幾乎可以自由偏轉，在彎矩和橫向力共同作用下螺旋處應力可以均勻分布。
然而，在許多實際應用中，端部線圈通過具有空間曲面或橫向偏移的非平行對齊支柱相互引導。在分析螺旋壓縮彈簧的尺寸時，必須用有限元分析（FEA）代替簡單方法。第二種力傳遞類型的兩個示例如圖2所示。
圖2：懸臂上彈簧排列情況：減壓（左）和壓縮（右）
在下懸臂上安裝彈簧然后沿著空間曲線引導彈簧端。分析結果顯示，圓柱形彈簧發生不均勻變形，此外，力矩和橫向力作用在彈簧兩端。結果是螺旋中的應力分布不均勻，彈簧體發生扭曲。
03 尺寸分析
基于DINEN13906-1標準表中給出的公式來計算螺旋彈簧。以下的基本公式均取自本標準表，它們描述了彈簧最重要的參數之間的關系：彈簧剛度、彈簧力、剪切模量、線徑、線圈數、平均線圈直徑、彈簧撓度和產生的剪應力。這些值對于計算簡單圓柱形螺旋彈簧至關重要：
然而，這種方法只適用于圓柱螺旋彈簧力傳遞的特殊情況。因此，這種方法只能用于經典螺旋彈簧的初步尺寸分析。
04 參數化
在尺寸分析，特別是在幾何優化中使用有限元分析時，需要螺旋彈簧的參數化模型。隨著時間的推移，Mubea的工程師們為螺旋彈簧建模開發了不同的參數化方法或應用程序。它們支持產品開發人員定義自由、自由螺旋彈簧幾何形狀并且設置邊界條件。此外，它們可以生成和評估有限元仿真模型。
其中有一個應用程序是專門為優化和自動設計螺旋彈簧幾何形狀而開發的。
展開 設計仿真 | 基于Actran的螺旋槳非空化噪聲仿真研究
研究背景及內容
螺旋槳是船舶的主要推進器之一，具有良好的水動力性能、較高的推進效率和簡單的結構等特點。然而，在船舶設計和運行中，螺旋槳的噪聲問題一直是一個重要且復雜的挑戰。
本研究使用仿真手段對旋轉槳的非空化噪聲進行研究。研究分為流體動力學仿真計算和聲學仿真計算，流體計算以縮比的DMPT P4119標準槳為研究對象。在穩態計算中，采用SST 湍流模型。瞬態計算采用大渦模擬(LES)湍流模型，計算不同工況下螺旋槳的水動力性能。所得流場結果與文獻中的試驗數據誤差在5%以內。聲學計算采用聲學商業軟件ACTRAN中的Lighthill聲類比方法計算螺旋槳在進速系數J=0.833時的非空化噪聲，所得聲場結果與文獻中的試驗數據誤差在10dB以內。
Research Methods
研究方法
01
槳葉模型
根據獲得的DTMB P4119螺旋槳的型值表，進行幾何建模。螺旋槳直徑為0.3048米，葉片數為3。完成標準尺寸的螺旋槳建模后，以螺旋槳中心為基準點，按比例縮小，縮放因子為0.657894。縮放后的直徑為D=0.2米。縮小比例的螺旋槳的主要特征如表1所示。
02
流體動力學模型
如圖1所示在螺旋槳周圍創建三個流體域，即螺旋槳周圍均勻包裹小流體域，中間流體域及最外層流體域。螺旋槳周圍均勻包裹小流體域為旋轉域，包裹住螺旋槳。中間流體域（Mid region）為靜止域專為Actran計算時數據提取。采用速度進口邊界（velocity inlet）模擬流體的流動，流體流動方向垂直于進口表面。螺旋槳表面被設定為無滑移邊界（wall），而計算域的外圓柱面被設定為對稱邊界（symmetry）。流體出口被設定為壓力出口邊界（pressure outlet），不同區域之間的交界面設定為Interface邊界，如下圖2示。
展開 案例分享 | 利用螺旋槳MSC Cradle和無限葉片數螺旋槳理論進行方向舵干涉時的性能仿真研究
Conference book of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers. 21st issue: p555-558
無限葉片數螺旋槳理論
螺旋槳/ 方向舵干涉仿真
仿真結果與實測結果的比較
小結
MSC Cradle里配置了無限葉片數螺旋槳理論功能后，使得螺旋槳和方向舵干涉狀態的計算成本大幅降低，而且仿真結果與實驗結果高度一致。MSC Cradle還可以考慮船體的干涉，是推進性能預測的工具。
展開 FLUENT仿真精典案例#351-螺旋槽干氣密封仿真 ￥500
FLUENT仿真精典案例#351-螺旋槽干氣密封仿真
01 案例介紹
本例對干氣密封氣膜，進行fluent模擬，模型如下圖。模型參數略過。需通過模擬了解：剛度K、泄漏量q、氣膜推力（開啟力）F、壓力沿徑向的分布。
02 網格情況
ICEM結構網格，1/12周期網格（可生成整體網格），如下兩圖。因模型前尖角存在，最小網格質量0.168（后續仿真能收斂）。
使用 CFD 仿真預測流體空化，進行精確的全尺寸螺旋槳仿真（免費領文檔）
本白皮書探討船舶推進器空化仿真的重要方面。它評估準確仿真潛在錯誤的相對影響、如何降低其影響以及在比例模型物理測試過程中模擬全尺寸推進器的優勢所在。
使用 CFD 仿真預測流體空化并降低其影響
空化是由流體壓力驟降引起的，這樣液體就會產生相變和氣泡。許多液體流動時都會發生這一現象，尤其是在泵、閥門和推進器之類旋轉機械中。流體空化會導致振動、噪聲和腐蝕，并因而導致結構磨損和損壞。在船舶應用中，推進器空化會降低推進效率并對船體和推進器葉片造成腐蝕。因此，準確預測是否會發生空化、在推進器的哪個部位發生、確保減少推進器設計次數或盡可能防止流體空化，都至關重要。
借助計算流體力學 (CFD) 進行多相建模，對于理解空化而言是不可或缺的工具。對于比例推進器模型進行的物理測試用途有限，因為預測和真實世界的全尺寸操作條件之間存在差異。CFD 可以準確預測空化并迅速用于多種設計研究。
了解如何執行準確的空化仿真
通過 Simcenter STAR-CCM+ 之類 CFD 代碼中的通用空化模型，可以準確預測船舶推進器的空化。本白皮書詳細探討運行空化仿真過程中可能遇到的難題。了解如何評估以下對象：
湍流模型
柵格解析度
推進器幾何形狀
尺度效應
對于空化仿真結果的影響。本白皮書囊括了 SVA Potsdam 公司的 CFD 仿真和實驗數據對比。
借助船舶 CFD 仿真推動船舶設計流程
我們堅信，全面的數字孿生對于船舶創新的未來和效率至關重要。我們的仿真和測試工具產品組合靈活、開放、可擴展，并且可以在船舶設計流程的每一步提供支持輔助。我們的解決方案提供集成設計環境、自動化船舶 CFD 工作流程和智能設計探索工具。這樣可以對許多設計變型進行快速分析，并從最早的設計階段就可以進一步了解推進器和船舶性能。
展開 螺旋管的橢圓型缺陷應力腐蝕仿真 ￥1000
本案例建立了一帶有橢圓形缺陷的螺旋管模型，如圖1所示，基于COMSOL軟件的固體力學模塊和二次電流分布模塊模擬仿真了螺旋管在10年腐蝕期間下的應力分布和腐蝕厚度，仿真結果如圖2所示。
圖1 幾何模型
應力分布
腐蝕厚度
圖2 仿真結果
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
仿真驅動的螺旋槳最優化方案
棲云科技憑借對氣動仿真技術的理解，近期推出了一套面向無人機企業的螺旋槳定制設計、制造服務。
眾所周知，計算流體力學模擬仿真技術在飛機、無人機設計上早已有了深入應用，在螺旋槳設計優化上也屢見不鮮，可以很容易查到相關文章、論文，然而很少有成熟的商業應用方案。棲云基于已有研究基礎，結合CFD仿真工具和三維建模軟件開發出一套數字化、全自動的螺旋槳設計、優化方法，極大減少了設計周期，降低了開發成本。
3、優化方案過程、方法
首先，采用三維軟件對螺旋槳進行參數化建模，將關鍵參數如槳距角、弦長等進行參數化；其次，將三維軟件和CFD仿真軟件進行交互，以參數化形式交換螺旋槳數據。數字化后的螺旋槳三維模型自動進行數值仿真，反饋結果后重新調整三維模型自動重建，輸入仿真軟件進行二次計算，如此迭代反復。最后，依靠遺傳算法、神經網絡等優化算法獲得最優的螺旋槳幾何參數。整個過程自動完成，來流、槳距角等關鍵參數自動尋優。
展開 圓柱形頭螺旋尾的三維結構的電磁力耦合仿真 ￥1000
如下圖所示，幾何模型是一個圓柱形頭螺旋尾的三維結構(材料是柔性橡膠)，以及倆塊NdFeB永磁鐵。其中，倆塊磁鐵緊嵌在圓柱形頭部。
該三維結構置于背景磁場B0中，背景磁場大小和磁感應方向均不變。倆個磁體的磁極方向如藍色箭頭所示，由南極指向北極(已在COMSOL中配置)。在背景磁場作用下，倆個磁體受到磁轉矩作用，磁極會趨向于背景磁場方向，并傳遞給彈性結構頭部一個變形(變形趨勢如綠色箭頭所示)。模擬結果如圖所示：
fluent螺旋噴嘴霧化仿真
Fluent采用vof to dpm的螺旋噴嘴霧化過程模擬，有效解決了單獨采用vof計算無法統計破碎液嫡粒度問題和單獨采用DPM計算，不能根據實際噴嘴形狀進行計算問題，有效的將一次霧化與二次霧化聯合在一起，。
電磁仿真大顯身手，優化螺旋天線設計
縫隙螺旋天線擁有多功能性和寬帶頻率響應特性，因此被廣泛用于無線通信、傳感、定位、跟蹤及許多不同微波頻段的應用。為了優化縫隙螺旋天線的設計，工程師們可以利用電磁分析來精確計算諸如 S 參數和遠場模式之類的特性。
縫隙螺旋天線的優點
縫隙螺旋天線擁有以下優點：
近乎理想的圓偏振輻射
寬帶頻率響應
輻射方向圖和阻抗能夠在大帶寬范圍內保持不變
此外，縫隙螺旋天線設計易共形，可安裝在各種物體上。這對于國防等工業是一個實用特征，安裝在軍用車輛和飛機的縫隙螺旋天線可以發揮通信和監視功能。
螺旋天線實例。圖片由 Bin im Garten 拍攝，已獲 CC BY-SA 3.0 授權，通過 Wikimedia Commons共享。
螺旋天線有很多種，最常見的是阿基米德螺旋天線。在本文，我們將討論利用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加的“RF 模塊”對此類天線進行模擬。
借助 COMSOL Multiphysics? 評估縫隙螺旋天線的設計
作為第一步，我們將討論如何繪制由兩條阿基米德螺旋線狀狹縫構成的縫隙螺旋天線的幾何。我們采用參數化曲線，在單面的金屬基底上制作出一個螺旋圖案。參數化曲線使得我們能夠利用數學公式繪制任意形狀的曲線。基底是一個完美電導體（perfect electric conductor，簡稱 PEC），具有很高的導電性，表面的損耗可忽略不計。螺旋狹縫的中心是集總端口，作用是激勵天線。
縫隙螺旋天線的幾何結構（上圖）和網格（下圖）。
天線和基底被空氣區域和完美匹配層（perfectly matched layer，簡稱 PML）包圍，PML 為上圖灰色部分。右圖的物理場控制的網格由軟件默認生成。
展開 Fluent扇形噴嘴/螺旋噴嘴霧化仿真
Fluent采用vof to dpm的扇形噴嘴/螺旋噴嘴霧化過程模擬，有效解決了單獨采用vof計算無法統計破碎液嫡粒度問題和單獨采用DPM計算，不能根據實際噴嘴形狀進行計算問題，有效的將一次霧化與二次霧化聯合在一起，有興趣的可以私聊。
【案例分享】螺旋卸船機離散元仿真分析
通過離散元仿真分析科學設計喂料頭形狀，適當地增加喂料口的個數，調整喂料頭的旋轉速度等，能夠有效提高螺旋輸送效率。
類型一（左）及類型二（右）兩種喂料頭
不同喂料頭下輸送量隨時間變化圖
文章來源：EDEM
基于ANSYS Maxwell的平面螺旋型線圈電感仿真分析
由此可知，本文對平面螺旋型線圈的建模方法是正確的，3D模型得到的線圈電感值比2D模型誤差更小。
在第一節用經驗公式計算出不含隔磁片的平面螺旋型線圈的電感值與實測值誤差為1.46%，說明用該經驗公式計算圖1(a)所示線圈電感值是準確的。
三、含隔磁片的平面螺旋型線圈
用于無線充電系統的平面螺旋型線圈，其底部一般含有一塊軟磁鐵氧體材料制成的隔磁片，該隔磁片可以提高無線充電的轉化效率，并起到屏蔽線圈磁場的作用。對于含隔磁片的平面螺旋線圈，沒有可參考的計算電感值的經驗公式。在上一節對不含隔磁片的線圈的仿真計算中，可看到利用ANSYS Maxwell軟件仿真得到線圈的電感值與實測結果誤差很小，故本節利用ANSYS Maxwell軟件仿真分析含隔磁片的平面螺旋型線圈的電感值。
在上一節線圈2D模型的基礎上，于線圈下方0.2 mm 處畫一個矩形(長25mm，寬1mm)作為隔磁片的模型， 所建立含隔磁片的線圈2D模型如圖5(a)所示。在3D 模型中，于線圈下方0.2mm處畫一個圓柱(底圓半徑 25mm，高1mm)，同樣需注意在3D模型中應將線圈的端部閉合，所建立的3D線圈模型如圖5(b)所示。隔磁片的材料設置均為鐵氧體(ferrite)。啟動仿真計算， 將計算的電感值記錄在表2中。
由表2中的仿真和實測數據可知，借助Maxwell軟件對含隔磁片的平面螺旋型線圈進行建模分析，2D和3D模型所得電感值與實測電感值的誤差分別為1.57% 和2.3%，這說明本文利用ANSYS軟件對含隔磁片的平面螺旋型線圈的建模分析是正確的。
四、線圈匝數對電感值和耦合系數的影響
本節對單個線圈進行優化設計，分析線圈的匝數和匝間距對線圈電感的影響，在此基礎上，分析匝數和匝間距對兩個線圈耦合系數的影響。
展開 Fluent實用案例 | 螺旋翅片管式換熱器換熱仿真
<p>本案例利用Fluent能量方程對螺旋翅片管式換熱器展開了數值仿真計算。該案例所用模型為假設模型，僅作計算設置參考，所進行的設置十分簡單。通過此案例后續可以對進一步通過參數化建模，對不同流速、基管尺寸、翅片半徑等參數進行設置，實現多工況的仿真計算，從而達到多目標優化的目的。</p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例具體設置如下圖 ：</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/a73d4f107f58f883f2fc0a0da08f2be6.jpg"></p><p><strong>2 SCDM 設置</strong></p><p><strong>2.1 導入幾何</strong></p><p>整體幾何結構如下圖:中間為換熱器，外部為空氣域。基管長34mm，前后各留1mm間隔，翅片厚度為1mm，x方向壁面分別為進出口。z方向壁面設置為wall2，y方向壁面設置為wall1，對幾何結構進行共享拓撲處理。換熱器外表面命名為pipe，內表面命名為wall-</p><p>hot。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/989b58b5d3ceb34064e2c27613527b7f.png"></p><p><br></p><p><strong>3 Fluent Meshing 設置</strong></p><p><strong>3.1 網格設置</strong></p><p>采用 Fluent meshing 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。
展開 T型接頭及螺旋線微通道內流體混合仿真 ￥1000
本案例基于COMSOL軟件建立了T型結構和螺旋微通道模型，基于多物理場耦合模塊仿真得到了T型接頭入口處兩種溶液流入后的混合流動過程，模型及仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
