多股螺旋弹簧响应特性的理论研究与实践

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1、多股螺旋弹簧响应特性的理论研究与实践重庆大学博士学位论文学生姓名：赵昱指导教师：王时龙教授专业：机械电子工程学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年四月ResearchontheresponsecharacteristicsofstrandedwirehelicalspringsandpracticeAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByYuZhaoSupervisedbyProf.ShilongWangS

2、pecialty:MechatronicsEngineeringCollegeofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaJune,2015中文摘要摘要多股螺旋弹簧（简称多股簧）是用由多股、多层弹簧钢丝拧成的钢索卷绕而成的圆柱螺旋弹簧，与普通单股弹簧相比，多股簧具有强度高、寿命长、可靠性高、抗油污、减振抗冲击性能好等优点，是自动武器、重型机械以及各种高端装备中的重要复位基础件。多股簧制造困难，限制了其推广应用，过去仅仅在极少数军工产品中使用。近年来，多股簧高精度数控加工技术已逐渐成熟，多股簧制造问题已基本解决，多

3、股簧的优点也逐渐被广泛了解，许多企业都希望在其产品中用多股簧替换原来的单股弹簧以达到改进产品性能的目的。然而，现阶段针对多股簧的理论研究主要集中在多股簧的制造装备和几何模型方面，而多股簧的响应模型及多股簧系统的响应分析理论研究很不充分，相关企业在使用多股簧时没有理论指导，难以充分发挥多股簧的优点。本文以解决多股簧工程应用中的关键问题为核心目标，在多股簧的制造、静态响应建模、动态响应建模以及多股簧系统的动态响应分析等方面开展了以下研究工作：①首先，针对多股簧卷绕加工的关键参数——钢丝捻距的选取尚无理论支持的问题，研究了最优钢丝捻距的的选取准则，提出了最优钢丝捻距的计算方法，解决了制约多股

4、簧新产品快速开发的关键问题；②针对目前多股簧静态响应模型尚不完善，不能很好的描述多股簧非线性刚度，导致设计基于多股簧的复位机构时缺乏理论指导的问题，考虑多股簧钢索受载变形时同层各股钢丝接触状态变化的影响，提出了多股簧静态响应的“两状态”模型，该模型可反映多股簧的非线性刚度，提高了多股簧静态响应分析的精度，为基于多股簧的复位装置的设计提供了理论支持；③针对目前尚无能够同时准确描述多股簧非线性刚度和滞迟阻尼的高精度多股簧动态响应模型，导致无法分析股簧系统动态响应的问题，通过对大量实验数据的分析，归纳了多股簧动态响应曲线的基本性质，在此基础上提出了一种多股簧动态响应模型，该模型是一种修正的归

5、一化Bouc-Wen模型，具有精度高、参数易识别的优点，为多股簧动态系统的设计、分析奠定了理论基础；④针对现有参数识别方法多基于非线性迭代算法，需要人为给定合适的初始猜测解，在工程应用时常因收敛性问题导致不能正确识别多股簧动态响应模型参数的问题，结合多股簧动态响应模型的自身特点，提出一种无需迭代的两步识别方法，将这一方法与现有的非线性迭代法相结合，提出了一种无须人为给定初始I重庆大学博士学位论文猜测解的、精度更高的三步参数识别方法，这两种方法解决了多股簧动态响应模型参数识别困难的问题，为后续响应分析研究提供了条件；⑤针对工程中重点关注的多股簧系统稳态谐波响应问题，以非线性系统响应分析的

6、谐波平衡法为理论基础，首先推导了适用于弱非线性多股簧系统稳态谐波响应的单谐波解，而后引入非线性迭代算法，与谐波平衡法结合，将非线性微分方程的求解问题转化为最优化问题，提出了可分析强非线性多股簧系统的迭代多谐波平衡分析方法，实践表明，该方法是多股簧系统谐响应分析的一种有效手段；⑥针对工程中大量实际多股簧系统均呈现近似线性系统的响应行为的现象以及多股簧系统的随机响应问题，研究了多股簧系统动态响应的等效线性化和统计线性化方法。等效线性化方法以本文研究的归一化Bouc-Wen模型能量损耗分析方法为基础，适用于多股簧系统的稳态谐波响应分析；统计线性化方法适用于多股簧系统的随机响应分析，该方法可处

7、理激励功率谱密度函数为理分式的多股簧系统的平稳随机响应问题。线性化分析方法具有分析速度快的优点，可在多股簧系统初步设计时作为一种高效但精度略低的方法使用。关键词：多股螺旋弹簧，静态响应，动态响应，Bouc-Wen模型，线性化II英文摘要ABSTRACTAstrandedwirehelicalspringisaspringwoundbyamulti-layeredsteelwirestrand.Comparedwithaconventionals