多股螺旋弹簧绕制成形的若干关键问题研究

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卷制而成,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。和普通单股弹簧相比,多股螺旋弹簧具有刚度强度好、吸振减振效果好等独特性能,在汽车仪器仪表减振系统、武器发射系统以及航空发动机等多个领域中都具有重要的应用价值。
　　 到目前为止,已有文献对多股螺旋弹簧的静态响应特性进行了相关研究,而多股螺旋弹簧的优越性能在于弹簧变形时股中钢丝之间和股间钢丝之间的接触摩擦所产生的阻尼效果,这在很大程度上取决于多股螺旋弹簧的成形质量,但还未有针对此方面的研究工作。本文旨在通过对多股螺旋弹簧成形方法的研究,深入多股螺旋弹簧的相关理论研究基础,重点在于多股螺旋弹簧卸载回弹的理论基础、绕制试验和数值模拟的研究,以此指导弹簧的工艺生产,提高弹簧产品的成品质量。
　　 本文主要从以下五个方面对多股螺旋弹簧的成形方法进行了深入、细致的研究和探讨工作:
　　 首先,多股螺旋弹簧的各股钢丝在空间结构上皆为二次螺旋形式,通过空间坐标变换的方法,针对压缩螺旋弹簧和拉伸螺旋弹簧两种类型的弹簧,建立了钢索中各股钢丝中心线和弹簧中各股钢丝中心线的空间曲线数学模型,给出了钢丝螺旋倍数的定义,并用两种方法进行推导,为多股螺旋弹簧的几何微分理论研究建立了数学基础。
　　 其次,现有文献是将多股螺旋弹簧简化为多股普通圆柱螺旋弹簧的并联作用和叠加效果进行研究,而在多股螺旋弹簧在成形过程中,各股钢丝承受了二次弯曲和扭转的复合作用,普通圆柱螺旋弹簧的成形只承受一次弯曲和扭转的复合作用,因此,多股螺旋弹簧的现有简化分析方法不够精确。因此,本文在单股钢丝中心曲线数学模型的研究基础上,基于空间曲线的微分几何理论,建立了钢丝中心线的曲率、挠率等微分表达式,给出与普通圆柱螺旋弹簧的微分参数的分析比较结果。
　　 第三,多股螺旋弹簧的动态性能是研究的热点。基于微分几何原理,推导出了多股螺旋弹簧单股钢丝的曲率和挠率的表达式,分析了压缩和拉伸两种类型的弹簧承受应力的情况。通过有限元仿真分析了多股压缩弹簧承受速度载荷时的簧圈变形情况,股间载荷的分布情况等。在此基础上,分析了单股弹簧和单股钢丝在承载时变形特性,为多股螺旋弹簧的特性分析提供研究基础。
　　 第四,针对三股螺旋弹簧和内层三股外层九股的三种弹簧的绕制成形过程进行了大量的试验,实验过程主要考虑了钢丝加载张力、弹簧螺距、钢索螺距、加载速度和钢丝直径对卸载后弹簧回弹量的影响。对于回弹量的分析主要分为轴向和径向两个方面。
　　 第五,针对螺旋弹簧的绕制试验,采用基于ABAQUS准静态分析模式对弹簧的绕制成形和卸载回弹进行模拟分析。通过钢丝截面和接触下钢丝表面的应力变化情况表面应力情况的仿真分析,研究了钢丝材料的弹塑性变化情况。通过有限元的数值模拟结果与螺旋弹簧的绕制试验结果进行对比表明了有限元方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 多股螺旋弹簧简介

1.3 国内外研究现状

1.3.1 多股绞线的研究进展

1.3.2 微动理论的研究进展

1.3.3 接触问题的研究进展

1.3.4 回弹问题的研究进展

1.3.5 有限元法的发展和应用

1.4 论文的研究背景和选题意义

1.4.1 论文的研究背景

1.4.2 论文的来源

1.4.3 论文的选题意义

1.4.4 论文的主要研究目标

1.5 论文的主要研究内容

1.6 本章小结

2 多股螺旋弹簧的几何模型研究

2.1 引言

2.2 空间曲线几何学原理

2.2.1 曲线几何学基本概念

2.2.2 坐标变换原理

2.3 多股螺旋弹簧的参数计算

2.3.1 多股螺旋弹簧成形原理

2.3.2 参数计算

2.3.3 拧索和绕簧的速度匹配

2.4 多股螺旋弹簧钢丝中心线数学模型

2.5 多股螺旋弹簧的建模实例

2.5.1 钢丝中心曲线公式法

2.5.2 螺旋扫描法

2.6 本章小结

3 基于微分几何的多股螺旋弹簧的特性研究

3.1 引言

3.2 多股螺旋弹簧的微分几何研究

3.2.1 多股拉伸螺旋弹簧微分公式的推导

3.2.2 多股压缩螺旋弹簧微分公式的推导

3.3 不同类型弹簧之间的分析比较

3.3.1 多股螺旋弹簧的几何参数

3.3.2 计算结果及分析

3.3.3 与普通螺旋弹簧的对比分析

3.4 多股螺旋弹簧的特性研究

3.4.1 多股螺旋弹簧波动理论和阻尼效应

3.4.2 多股螺旋弹簧动态性能的数值模拟

3.4.3 多股螺旋弹簧股间钢丝的载荷分布分析

3.4.4 单股钢丝与单股弹簧的分析

3.5 多股螺旋弹簧的特性试验

3.6 本章小结

4 多股螺旋弹簧绕制成形及回弹的试验研究

4.1 引言

4.2 多股螺旋弹簧绕制成形的方法

4.3 三股钢丝的螺旋弹簧绕制成形的试验研究

4.3.1 钢丝张力对回弹量的影响

4.3.2 弹簧螺距对回弹量的影响

4.3.3 钢索螺距对回弹量的影响

4.3.4 绕制速度对回弹量的影响

4.3.5 钢丝直径对回弹量的影响

4.4 具有中心股的螺旋弹簧绕制成形的试验研究

4.4.1 钢丝张力对回弹量的影响

4.4.2 弹簧螺距对回弹量的影响

4.5 本章小结

5 多股螺旋弹簧绕制成形及回弹的数值模拟

5.1 引言

5.2 弹塑性有限元法

5.2.1 弹塑性成形的基本理论

5.2.2 非线性的有限元求解

5.2.3 三种非线性方程组

5.3 基于ABAQUS的分析方法

5.3.1 求解计算器

5.3.2 材料特性

5.3.3 分析步确定

5.3.4 单元类型

5.3.5 网格划分方式

5.4 ABAQUS准静态分析

5.4.1 加载速率

5.4.2 质量放大

5.4.3 准静态模拟评估

5.5 单股螺旋弹簧绕制成形及卸载回弹的模拟分析

5.5.1 几何模型

5.5.2 有限元模型

5.5.3 边界条件

5.5.4 有限元计算结果

5.6 多股螺旋弹簧绕制成形及卸载回弹的模拟分析

5.6.1 几何模型

5.6.2 边界条件

5.6.3 网格划分

5.6.4 有限元计算结果

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者攻读博士期间发表和录用的论文

B 作者攻读博士期间取得的科研成果