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斜圈弹簧应力松弛研究及寿命预测

王建平 郭孟飞 梁晓 郝晨星 朱牛顿

王建平, 郭孟飞, 梁晓, 郝晨星, 朱牛顿. 斜圈弹簧应力松弛研究及寿命预测[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 795-803. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194
引用本文: 王建平, 郭孟飞, 梁晓, 郝晨星, 朱牛顿. 斜圈弹簧应力松弛研究及寿命预测[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 795-803. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194
Wang Jianping, Guo Mengfei, Liang Xiao, Hao Chenxing, Zhu Niudun. Study on Stress Relaxation and Life Prediction of Canted Coil Spring[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 795-803. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194
Citation: Wang Jianping, Guo Mengfei, Liang Xiao, Hao Chenxing, Zhu Niudun. Study on Stress Relaxation and Life Prediction of Canted Coil Spring[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 795-803. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194

斜圈弹簧应力松弛研究及寿命预测

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190194
基金项目: 

西安市科技计划项目2018080CG/RC043 XALG003

国家自然科学基金项目 51275408

详细信息
    作者简介:

    王建平(1970-), 副教授, 博士后, 研究方向为非线性系统动力学和机床运行可靠性理论与测试, wangjinping@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: TH114

Study on Stress Relaxation and Life Prediction of Canted Coil Spring

  • 摘要: 为了预防长时间的高温高压环境所产生的应力松弛现象,本文将传统应力松弛理论与Arrhenius理论相结合建立用于斜圈弹簧的应力松弛模型。通过在不同载荷和不同温度下的应力松弛加速试验,探究弹簧应力松弛模型参数的变化规律,实现预测实际工作环境下斜圈弹簧的松弛特性以及服役寿命。通过workbench对单圈弹簧进行有限元仿真分析,不仅可以得出弹簧的载荷松弛量和内部等效应力松弛率,还可以看出在弹簧发生应力松弛后的位移变化以及蠕变量的大小。通过改变弹簧的结构参数,运用workbench分析不同结构参数下单圈弹簧的应力松弛率,探究结构参数与应力松弛率之间的关系,为提高弹簧寿命给出理论依据。
  • 图  1  斜圈弹簧试样

    图  2  不同温度下单圈弹簧的刚度曲线

    图  3  斜圈弹簧松弛试验过程图

    图  4  恒温不同载荷下单圈弹簧松弛试验与拟合曲线的对比

    图  5  恒温不同载荷下各模型参数的预测曲线

    图  6  200 ℃、1 N下的松弛预测曲线

    图  7  恒载不同温度下单圈弹簧应力松弛试验与拟合曲线对比

    图  8  恒载不同温度下的模型参数预测曲线

    图  9  70 ℃、4 N下的松驰预测曲线

    图  10  200 ℃、4 N下的单圈弹簧仿真位移图

    图  11  仿真刚度曲线

    图  12  单圈弹簧仿真刚度对应等效应力曲线

    图  13  单圈弹簧蠕变云图

    图  14  载荷损失曲线对比

    图  15  等效应力松弛对比曲线

    图  16  线圈宽度与应力松弛率之间的关系

    图  17  倾斜角与应力松弛率之间的关系

    图  18  截距值与应力松弛率之间的关系

    图  19  线径与应力松弛率之间的关系

    表  1  铍青铜C17500热物理性能和力学特性

    密度/(kg·m-3) 弹性模量/GPa 热膨胀系数/℃-1 热传导系数/W·(m·℃)-1 屈服强度/MPa 延伸率/%
    8 830 138 1.76×10-6 208 951 14
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    表  2  200 ℃恒温不同载荷下的松弛模型参数表

    试验载荷P0/N 松弛极限P/N 材料参数A0 材料参数B0 温度参数C1 温度参数C2
    4.0 3.198 8.5×10-4 0.091 5 -30.96 -42.28
    3.5 2.83 9.5×10-4 0.087 5 -30.96 -42.28
    3.0 2.433 1×10-3 0.085 2 -30.96 -42.28
    2.5 2.047 1.5×10-3 0.082 5 -30.96 -42.28
    2.0 1.63 1.8×10-3 0.080 9 -30.96 -42.28
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    表  3  恒温不同载荷下松弛模型参数预测表达式

    曲线 拟合表达式 相关系数
    P-P0 y=0.784x+0.075 6 0.999
    A0-P0 y=-4.86×10-4x+2.72×10-3 0.977
    B0-P0 y=0.005 14x+0.070 2 0.978
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    表  4  4 N恒载不同温度下的模型参数表

    试验温度T/℃ 松弛极限P/N 材料参数A0 材料参数B0 温度参数C1 温度参数C2
    200 3.198 8.5×10-4 0.091 5 -30.96 -42.28
    175 3.24 8.5×10-4 0.091 5 -32.52 -47.54
    150 3.34 8.5×10-4 0.091 5 -35.01 -61.47
    125 3.52 8.5×10-4 0.091 5 -37.38 -89.32
    100 3.62 8.5×10-4 0.091 5 -40.52 -94.54
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    表  5  恒载不同温度下松弛模型参数预测表达式

    曲线 拟合表达式 相关系数
    lnΔ P/P0-1/T y=-160.7x-0.764 9 0.987
    C1-1/T y=-192 1x-21.62 0.99
    C2-1/T y=-1.14×104x+16.07 0.977
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    表  6  斜圈弹簧结构参数变化设计表

    变量 原始值 最小值 最大值 增量
    宽度d /mm 8.2 7.2 10.2 0.5
    倾斜角α /(°) 28.5 25 34 1.5
    截距P /mm 2.05 1.95 2.55 0.1
    线径d0/mm 1.0 0.8 1.4 0.1
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  • [1] Balsells P J. Use of an axial canted coil spring as an electrical contact to minimize resistivity variations under dynamic loads: US, 7274964[P]. 2007-09-25
    [2] 王建平, 李健, 赵腾, 等.斜圈弹簧刚度测量方法研究及实验分析[J].机械科学与技术, 2015, 34(10):1584-1588 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.1020

    Wang J P, Li J, Zhao T, et al. Study on stiffness measuring method and experimental analysis for canted coil spring[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2015, 34(10):1584-1588(in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2015.1020
    [3] 张旭龙, 陈毅, 潘连玉阳, 等.斜圈弹簧的应用研究[J].河南科技, 2013, (4):128 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hnkj201304113

    Zhang X L, Chen Y, Pan L Y Y, et al. Application research of inclined coil spring[J]. Journal of Henan Science and Technology, 2013, (4):128(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hnkj201304113
    [4] Seshadri R. The effect of multiaxiality and follow-up on creep damage[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 1990, 112(4):378-385 doi: 10.1115/1.2929892
    [5] Seshadri R. Multiaxial relaxation and creep damage assessments-a comparison of ASME N-47 and GLOSS time-scaling methods[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 1993, 115(1):32-37 doi: 10.1115/1.2929492
    [6] Severud L K. Creep-fatigue assessment methods using elastic analysis results and adjustments[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 1991, 113(1):34-40 doi: 10.1115/1.2928725
    [7] 王爱民, 王勖成.高温结构应力松弛和蠕变损伤分析的实用方法[J].机械强度, 2001, 23(1):4-7 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxqd200101002

    Wang A M, Wang X C. Practical method for stress relaxation and creep damage in high-temperature structures[J]. Journal of Mechanical Strength, 2001, 23(1):4-7(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jxqd200101002
    [8] 常新龙, 刘兵吉, 汪亮.螺旋弹簧应力松弛实验研究[J].推进技术, 1999, 20(1):99-102 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tjjs199901024

    Chang X L, Liu B J, Wang L. Experimental study on stress relaxation of helical spring[J]. Journal of Propulsion Technology, 1999, 20(1):99-102(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tjjs199901024
    [9] Zhang C, Li X Q, Li D S, et al. Modelization and comparison of Norton-Hoff and Arrhenius constitutive laws to predict hot tensile behavior of Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(S2):S457-S464
    [10] 张力文, 钟玉平.金属高温蠕变理论研究进展及应用[J].材料导报, 2015, (S1):409-416 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CLDB2015S1106.htm

    Zhang L W, Zhong Y P. Development and application of metal creep theory method under high temperature[J]. Materials Review, 2015, (S1):409-416(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CLDB2015S1106.htm
    [11] 苏德达, 朱知寿, 王欣华.奥氏体不锈压缩螺旋弹簧抗应力松弛性能研究[J].金属制品, 1997, 23(2):12-18 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199700313569

    Su D D, Zhu Z S, Wang X H. Research on anti-stress relaxational ability of helical compression springs made of austenitic stainless steel wires[J]. Steel Wire Products, 1997, 23(2):12-18(in Chinese) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199700313569
    [12] 赵伯华.松弛与蠕变力学特性转换关系的研究[J].实验力学, 1995, 10(2):140-144 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SYLX502.006.htm

    Zhao B H. Conversion relations between relaxation and creep[J]. Journal of Experimental Mechanics, 1995, 10(2):140-144(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SYLX502.006.htm
    [13] 王敏中.高等弹性力学[M].北京:北京大学出版社, 2002

    Wang M Z. Higher elasticity[M]. Beijing:Peking University Press, 2002(in Chinese)
    [14] Ghosh R N. Creep life predictions of engineering components:problems & prospects[J]. Procedia Engineering, 2013, 55:599-606 doi: 10.1016/j.proeng.2013.03.301
    [15] 张维维.电站高温螺栓松弛力学行为的研究[D].北京: 华北电力大学, 2015 https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&filename=1015643935.nh

    Zhang W W. Research on stress relaxation behaviour of high temperature bolts in power plants[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2015(in Chinese) https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CDFD&filename=1015643935.nh
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  • 收稿日期:  2019-04-25
  • 刊出日期:  2020-05-05

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