不同温度条件下弹簧应力松弛的研究

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应力松弛作为弹簧的主要失效方式,受到广泛的关注。但弹簧种类繁多,受力状态复杂,很难用统一的理论模型预测各类弹簧的松弛行为。为了进一步明确温度对弹簧机理及弹簧本构方程的影响,本文以三种典型弹簧元件(T9A螺旋压缩弹簧、1Cr18Ni9螺旋压缩弹簧以及60Si2MnA碟形弹簧)为研究对象,通过ABAQUS有限元分析软件、光学显微镜、扫描电子显微镜以及透射电子显微镜等分析技术,结合应力松弛加速试验,研究在不同温度条件下弹簧的松弛规律,并对松弛机理做出了一定程度上的揭示,主要研究成果如下:(1)在李氏方程的基础上,针对T9A螺旋压缩弹簧的应力松弛现象,构建了改进的本构方程,σ*=(Kie-t/t1+ai)-n,该方程拥有更少的参数和更高的精确程度。将该方程代入到有限元分析软件ABAQUS中,成功模拟了 T9A螺旋压缩弹簧的松弛过程,使得有限元分析的运算量和迭代大大降低,且通过ABAQUS发现弹簧线圈横截面的松弛是由外向内逐步推进的,最开始弹簧线圈截面的松弛从弹簧的“外环”开始,随着时间的延长,不断向“内环”扩张。(2)从1Cr18Ni9螺旋压缩弹簧的松弛曲线出发,发现1Cr18Ni9螺旋压缩弹簧在不同温度下的松弛激活能不同,是因为在不同温度下弹簧的松弛机理不同。在100℃时,弹簧在松弛的过程中主要先从位错堆积较少的“弱区”开始,随着松弛不断进行,逐步过渡到位错密度大的“强区”,最后“强区”的应力集中现象得到缓解,整个材料在组织、亚结构逐渐均匀化,位错的运动方式以多滑移为主;而当材料处于更高的温度时,松弛变形的方式不单单以多滑移的方式进行,还发生了孪生变形,使得整个晶粒转变成更细的板条状。(3)针对60Si2MnA碟簧,通过定积分和温度加速应力松弛理论,计算出高低温循环交变应力松弛中循环交变的温度对于应力松弛寿命的影响。同时,通过实验研究了交变温度作用下,碟簧载荷的衰减规律。计算和实验结果的差异表明交变温度作用下的应力松弛不仅与温度有关,还与交变温度引起的应力变化有关。
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