环形螺旋弹簧式发圈结构三维造型

　　这类环形螺旋结构的发圈，日常最常见的使用场景是个人日常束发，同时在小型穿戴配件、柔性连接构件的设计验证中也常作为参考结构，不少做小型弹性穿戴件的结构工程师会参考这类连续螺旋环形的受力特性，优化小尺寸弹性配件的回弹表现。从结构功能来看，该构件依靠连续螺旋绕制的环形管体实现弹性形变，当受到径向挤压力时，每一圈螺旋段都会产生均匀的弯曲形变，撤去外力后能快速恢复初始环形状态，不会出现局部应力集中导致的永久形变，相比普通直线弹簧弯成的环形结构，这种连续螺旋成型的环形构件，各圈螺距均匀，形变时每一段的受力偏差能控制在极小范围内，反复弯折上千次也不会出现局部断裂的问题。

　　设计这类结构的时候，首先要确定环形的整体中径，也就是整个发圈围成的圆环中心到螺旋管体中心的距离，这个尺寸直接决定了使用时的适配范围，日常使用的发圈整体中径一般控制在40mm到60mm之间，既不会因为圈径太小勒束过紧，也不会因为圈径太大导致束发后容易松脱。螺旋管体本身的线径也就是构成螺旋的实心或者空心管的直径，一般在2mm到3mm之间，这个尺寸兼顾了弹性和触感，线径太粗会导致整体硬度过高，佩戴时异物感强，线径太细则弹性不足，容易被拉扯变形。螺距的设计是整个结构的核心，相邻两圈螺旋之间的间隙要控制在0.5mm到1mm之间，间隙太小会导致形变时圈与圈之间发生摩擦剐蹭，长期使用会磨损表面，间隙太大则会导致整体结构松散，回弹力度不足。

　　建模过程中需要用到3D草图的交集命令来生成连续的螺旋路径，先绘制环形的中心引导线，再沿着引导线生成垂直于引导线的螺旋扫描路径，两个路径的交集点就是螺旋管体的中心轨迹，扫描的时候要注意每一圈螺旋的扭转角度一致，避免出现局部螺距不均的问题。从安装边界来看，这类构件不需要额外的固定结构，依靠自身的弹性张紧力就能固定在使用位置，不管是束发时贴合发丝轮廓，还是作为小型弹性连接件套在柱形构件上，都不需要额外的卡扣或者粘接结构，自身的环形回弹就能提供足够的固定力。

　　实际生产中这类结构一般采用TPU或者弹簧钢材质，TPU材质的触感更柔和，适合直接接触皮肤的使用场景，弹簧钢材质的弹性更好，适合作为工业小型弹性配件使用，两种材质的建模逻辑一致，只需要在后续仿真环节调整对应的材料参数即可验证形变表现。不少刚接触三维建模的工程师在做这类环形螺旋结构的时候，容易出现螺旋路径扭转错位的问题，要么是扫描的时候引导线约束没做好，导致局部螺旋圈凸起，要么是3D草图绘制的时候没有处理好路径的交集，导致扫描出来的管体出现断面或者扭曲，这时候就需要反复调整3D草图的相交约束，确保每一段螺旋路径都和环形中心引导线保持垂直，同时相邻螺旋段的间距误差控制在0.1mm以内，这样生成的实体才会顺滑无瑕疵。另外这类结构的受力仿真也需要注意，不能直接套用普通圆柱螺旋弹簧的弹力计算公式，因为它的整体是环形布置，每一段螺旋的受力方向都和普通直线弹簧有区别，需要在仿真软件中对整个环形结构施加均匀的径向载荷，才能得到准确的形变数据和应力分布，避免出现局部应力超过材料屈服强度的问题。