多股螺旋弹簧强压回弹计算与仿真方法研究

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多股螺旋弹簧(多股簧)是由钢索绕制而成的圆柱螺旋弹簧。与单股簧相比,多股簧的力学响应和使用寿命等更优,因此被应用于军工行业和民用行业,但由于其制造工艺不成熟,导致生产效率低,制造成本高。其中,最主要的原因在于多股簧制造过程中的回弹问题未得到有效解决,主要包括:冷绕成形回弹和强压回弹。本课题组已开展了关于冷绕成形回弹的研究,而关于多股簧强压回弹的研究较少,且强压回弹问题严重影响了多股簧的生产效率,因此,本文针对多股簧强压回弹问题开展如下研究:(1)针对多股簧强压处理工艺对其疲劳失效断裂的影响,首先对多股簧进行疲劳试验,利用断口分析方法研究得到其发生疲劳断裂的直接原因为钢丝表面缺陷,并对主要断裂位置进行受力变形分析确定疲劳断裂位置为多股簧端部半圈位置处;其次基于多股簧的残余应力检测结果对多股簧的实际制造工艺路线和理想制造工艺路线进行对比分析,通过研究得到强压处理会加剧多股簧疲劳失效的发生。(2)为构建多股簧强压回弹计算模型,首先简化了以往学者的推导过程得到二次螺旋曲线方程;并利用空间曲率微分方法得到二次螺旋曲线的空间曲率方程;然后基于平面弯曲弹复理论计算强压回弹后的多股簧外层钢丝中心线最外侧点和最内侧点的曲率大小,结合二次螺旋曲线空间曲率方程反求多股簧强压回弹后的几何参数;最后基于实验对反求结果进行验证和分析。(3)针对多股簧强压回弹反求结果存在误差,提出强压回弹有限元仿真方法。首先对多股簧的强压回弹过程进行有限元仿真,通过实验进行验证并调整仿真参数,得到准确有效的仿真模型;然后基于正交仿真实验进行强压回弹影响因素敏感性分析,其结果为中径和螺距对多股簧的强压径向回弹和轴向回弹影响显著,钢丝捻距对其径向回弹和轴向回弹影响不显著。(4)针对有限元仿真时间长的问题,基于敏感性分析的结论进行单一变量仿真实验,根据仿真结果建立强压回弹后中径和螺距的回归预测模型;并基于螺距回归预测模型和强压回弹计算方法提出预测精度更高的优化计算方法,该计算方法可将预测误差降低到5%以内。
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