多股螺旋弹簧(简称多股簧)是由多股碳素钢丝拧成钢索绕制而成。在高速往复复位过程中,弹簧各股钢丝紧密接触,产生摩擦阻尼作用,可达到良好的吸振和减振效果,因此它是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。多股簧还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。　　目前的研究主要集中在多股簧的静态响应和成形方法,对多股簧钢丝间的接触机理研究较少。多股簧承受轴向载荷时,钢索主要受到扭矩作用。经过多次应力循环后,在钢丝表面局部区域产生小片或小块金属剥落,形成麻点或凹坑,最后导致弹簧失效,扭动微动磨损是产生这一现象的重要原因。因此扭动微动应力分布及钢丝间接触机理分析应成为重点研究,但还未有此方面的研究工作。本文旨在通过计算扭动微动表层下应力分布,深入研究多股簧损伤机理,完善相关理论研究基础。本文主要进行了如下研究工作:　　首先,多股螺旋弹簧的各股钢丝在空间结构上为二次螺旋形式,通过空间坐标变换的方法,建立了弹簧中各股钢丝中心线的空间曲线数学模型。利用三维建模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。根据恢复力特性试验数据,建立了能够真实反映多股簧动态特性,并以实测数据为基础的指数模型;在MATLAB中拟合了加载,卸载及过渡曲线数学表达式,为后续多股簧的动态设计理论提供了重要的计算模型。　　第二,多股簧钢丝为典型圆柱体接触,本文通过理论推导,证明了圆柱体接触可转换成相应的球体接触。建立了扭动微动模型,精确计算扭动微动时的表层切向力、扭矩和扭转角。由扭矩-扭转角曲线形状可知扭动微动运行状态,当扭矩-扭转角曲线呈椭圆形时,接触中心处于粘着状态,接触边缘发生微滑。当扭矩-扭转角曲线呈平行四边形时,扭动微动运行于完全滑移状态。　　第三,扭动微动处于卸载状态时,表面切向力表达式非常复杂,很难推导出表层下应力分布解析解。本文采用半解析法,表层下的待求点应力由表面压力和切向应力产生的应力叠加得到,表面压力及切向力和相应影响系数由解析公式求得,利用离散卷积和快速傅立叶变换提高求和计算效率。算法仅在关心的接触区域划分网格,缩短计算时间。通过对比加载情况下的应力分布数值解和解析解来验证算法。结果显示该算法是一种准确、高效的数值计算方法。　　第四,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,在新型试验装置上模拟了钢丝间发生的扭动微动;利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱(EDX)对材料进行微观分析,系统研究了不同试验工况对多股簧钢丝扭动微动运行行为和损伤机理的影响。研究了初始屈服点位置和材料磨损机制间对应关系。对比不同粘着区域系数下的磨痕图,当最大应力点在表层以下时,磨损以轻微的氧化磨损,表面出现部分裂纹。最大应力点出现在接触表面时,磨损机制主要是粘附磨损,磨损较为严重,伴有大块材料剥落。　　最后,根据多股簧钢索结构,通过微分几何的方法得到了多股簧相邻钢丝间接触角。结合经典Hertz理论建立了钢丝间椭圆接触模型,得到了钢丝椭圆接触表面长半轴,短半轴,最大表面接触压力。计算钢丝的内部应力分布(钢丝表层下von Mises应力与最大应力点位置),为后续多股簧的疲劳寿命分析提供了重要的理论基础。