螺旋压缩弹簧应力松弛特性分析及服役寿命预测

摘要

弹簧是航天航空及现代武器装备领域广泛使用的一种弹性元件。疲劳断裂和应力松弛是弹簧的主要失效形式，在航天航空飞行器长期工作或现代武器装备长期贮存的过程中，机构中的弹簧往往会出现应力松弛现象。由于应力松弛导致弹性元件性能下降或失效将影响整个系统的正常运行。因此，对弹簧应力松弛规律进行研究，对其服役寿命进行预测具有重要的工程应用价值和意义。本文以某型飞机舱门上位锁中的弹簧为研究对象，通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛特性，并对室温下弹簧应力松弛服役寿命进行预测。 首先，针对传统弹簧应力松弛测试方法存在的缺陷搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置。该测试装置能够保证应力松弛试验加载位移恒定，并实时监测载荷变化。利用测试装置针对某飞机舱门锁机构中的螺旋压缩弹簧在不同温度及不同载荷条件下分别进行应力松弛试验，得到其松弛动力学曲线，并基于Arrhenius模型建立了弹簧在室温下的应力松弛服役寿命预测模型。 其次，基于应力松弛和蠕变现象在机理上的统一性，利用金属材料蠕变理论并结合圆柱螺旋弹簧的受力特点，推导出用于描述弹簧材料应力松弛行为的蠕变本构方程，由应力松弛试验结果得到蠕变本构方程的材料常数。 最后，由所得蠕变本构方程及材料常数，利用ANSYS有限元软件对弹簧应力松弛过程进行模拟，预测弹簧不同初载荷下的弹簧应力松弛曲线，结果表明有限元模拟结果与应力松弛试验结果相吻合，进而也验证了基于弹簧松弛试验数据所建立的蠕变本构方程的准确性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1应力松弛试验研究

1.2.2应力松弛数值模拟研究

1.2.3应力松弛与蠕变的转换关系研究

1.3 本文研究内容

2 弹簧应力松弛试验系统

2.1 加速试验技术

2.1.1加速寿命试验的类型

2.1.2加速寿命试验的加速模型

2.2 试验材料

2.3 试验系统设计

2.4 试验件数量及试验时间确定

2.5 试验操作步骤

3 弹簧应力松弛试验及分析

3.1 应力松弛方程

3.2 不同温度下的应力松弛试验结果及分析

3.3 不同初载下的应力松弛试验结果及分析

3.4 弹簧服役寿命预测

3.4.1应力松弛的热激活能理论

3.4.2室温下弹簧服役寿命预测

3.5 本章小结

4 蠕变本构方程

4.1 蠕变与应力松弛

4.2 常见的几种蠕变模型

4.3 弹簧材料蠕变本构方程

4.3.1 螺旋弹簧受力分析

4.3.2 蠕变本构方程

4.4 本章小结

5 应力松弛数值模拟

5.1 显式蠕变与隐式蠕变

5.2 一般蠕变方程

5.3 螺旋弹簧应力松弛模拟

5.4 本章小结

6 结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献