多股簧冲击特性与损伤机理研究

发布时间：2020-05-25 03:24

【摘要】：多股螺旋弹簧(简称多股簧)通常是由2 ~ 7股0.5 ~ 3mm的碳素弹簧钢丝拧成钢索冷绕而成,分为有中心股和无中心股两种结构形式,其中压缩弹簧的钢索的旋向与弹簧的旋向相反,拉伸弹簧的旋向与弹簧的旋向相同。与普通单股螺旋弹簧相比,多股簧具有强度条件好、吸振减振性能优越等独特性能,因而它是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。另外,多股簧还可广泛应用于振动设备(如振动筛、振动粉碎设备等)、高精度台面和要求很平稳的运输车辆等,以取代传统的单股弹簧和橡胶弹簧。到目前为止,已有文献对多股簧的静态响应和成形方法进行了相关研究。而多股簧在工作过程中主要承受冲击载荷,其优越性能在于弹簧变形时钢丝之间的接触摩擦所产生的阻尼效果,因此多股簧承受冲击载荷时的动力学响应以及钢丝间的磨损机理分析应成为研究的重中之重,但还未有针对此方面的研究工作。本文旨在通过对多股簧冲击特性和损伤机理的研究,深入多股簧的相关理论研究基础,重点在于多股簧承受冲击载荷时的有限元数值计算及其相应的几何模型理论基础、冲击试验检测设备的研制、钢丝间的扭动微动磨损机理试验研究及有限元分析。本文主要从以下五个方面对多股簧的冲击特性及损伤机理进行了深入、细致的研究和探讨工作: 首先,多股簧的钢索拧角和钢索直径大小从根本上决定了多股簧的性能。现有文献提出的“相邻两根钢丝中心线的最短距离等于钢丝直径”和“钢索横截面为椭圆相切”的计算方法均有局限性。因此,本文通过新建立的多股簧钢索横截面的精确数学模型,利用MATLAB软件开发了应用软件来直接精确求得任意股数的多股簧钢索拧角和直径。同时,在现有多股簧各股钢丝中心线数学模型基础上,基于连续多段函数和指数方程方法,分别采用CATIA和PRO/E软件的螺旋扫描功能,建立了两段并圈多股簧的三维实体模型,为后续多股簧的动态设计理论、冲击特性的有限元计算提供了重要的理论基础和计算模型。第二,多股簧的冲击特性是研究的热点。在两段并圈多股簧的三维实体模型基础上,通过对多股簧运动工况的分析,建立了受阻尼影响的多股簧动态模型振动方程。同时,利用ABAQUS软件的显式动态功能进行高速冲击响应分析,为多股簧的结构优化设计提供了依据。第三,研发了多股簧动态参数非接触高速多通道检测系统的结构、电气硬件及控制算法,该系统可用于检测多股簧在冲击振动状态下,簧杆上各质点的运动位移、速度、加速度,从而获得多股簧簧圈各质点的动态参数,为多股簧在高速冲击载荷作用下其内部的变形过程研究提供试验检测平台。第四,针对扭动微动是导致多股簧钢丝表面局部区域磨损的重要原因之一,通过各股钢丝间法向接触力及角位移的数学模型所得到的试验参数,在新型试验装置上真实模拟了多股簧工作过程中钢丝间发生的柱-柱接触扭动微动;系统研究了不同试验工况及循环次数的变化对多股簧钢丝扭动微动运行行为和损伤机理的影响。最后,在试验研究的基础上,对多股簧钢丝扭动微动进行数值模拟,研究不同试验工况、循环次数和接触面摩擦系数条件下,接触界面应力、相对滑移的分布和变化情况;通过修正的Archard方程建立多股簧钢丝扭动微动工况下的磨损模型,采用与数值模拟相结合的方法计算不同试验工况及循环次数下钢丝的磨损深度;并结合与前面试验结果的对比分析,对多股簧扭动微动磨损损伤机理的深入认识提供参考。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH135.1

【引证文献】