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环形弹簧静刚度与冲击性能有限元分析

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第40卷第l0期 2018年lO月 舰船科学技术 Vo1.40,No.10 oct..2018 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY 环形弹簧静刚度与冲击性能有限元分析 薛瑞娟 ,-,郭敬彬 .一,王君 ,程栋 ,刘 涛 ’2 (1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所,河南郑州450000; 2.河南省水下智能装备重点实验室,河南郑州450000) 摘 要:垂直减震装置是潜载导弹发射装置的重要组成部分,环形弹簧作为减震元件,是垂直减震装置的核 心元件,需要满足不同工况下的减震需求。本文通过理论计算,并结合试验数据,利用Abaqus软件建立环形弹簧静 载和动载模型,通过有限元分析得到静载荷作用和冲击载荷作用下环形弹簧应力应变分布情况。研究结果表明:环 形弹簧有限元计算与试验结果误差不大,随着载荷的增大,应力应变也随之增大。静载工况下,外圆环最大应力出 现在锥形截面上,而内圆环最大应力出现在内圆环内表面。冲击工况下,环形弹簧冲击刚度远大于静刚度值,外圆 环与内圆环最大应力位置与静载状态最大应力位置相反。 关键词:环形弹簧;仿真分析;结构变形;静刚度;冲击刚度 中图分类号:TH135 文献标识码:A doi:10.3404 ̄.issn.1672—7649.2018.10.013 文章编号:1672—7649(2018)10—0067—05 Finite element analysis of static stiffness and shock performance of ring spring XUE Rui-juan ,GUO Jing-bin ,WANG Jun ,CHENG Dong ,LIU Tao‘ (1.The 713 Research Institute ofCSIC,Zhengzhou 450000,China; 2.The Underwater Intelligent Equipment Laboratory ofHenan Province,Zhengzhou 450000,China) Abstract:The vertical damping device is an important part of a submarine-launched missile device,as a damping ele- ment,ring spring is the core component of the vertical damping device,need to meet the needs of damping under different working condiitons.In this paper,through theoretical calculation,and combined wih tthe test data,using Abaqus software to build static load and dynamic load model offing spring,the distribution of stress and strain ofring spring was obtained by fi- nite element analysis.Research results show hat:The error tof inifte element calculation and estt result of ring spring is not lrge,as athe load increases,the stress and strain increase.Under smile load,the maximum stress of he outtr eirng appears on the conical section,while the maximum stress of the inner ring appears on the inner surface of he itnner ring.Under the shock condition,the shock stiffness offing spring is much larger than that ofstatic stiffness,and he tmaximum stress posi— tionofouter ringandinnerringis oppositetothatofstaticload. Key words:ring spring;simulation analysis;structural deform ̄ion;static stiffness;shock stifness 0 引 言 环形弹簧由带有内锥面的外圆环和带有外锥面的 内圆环配合而成。外圆环和内圆环沿配合圆锥面相对 滑动时,接触表面具有很大的摩擦力,加载时,轴向 力由表面压力和摩擦力平衡,因此,相当于减小了轴 向载荷的作用,增大了弹簧刚度。卸载时,摩擦力阻 滞了弹簧弹性变形的恢复,相当于减小了弹簧作用力。 环形弹簧在加载和卸载循环中,由摩擦力转化为 热能所消耗的功,其大小几乎可达加载过程所做功的 60%~70%,因此,环形弹簧的缓冲减震能力很高,单 位体积材料的储能能力比其他类型弹簧大。环形弹簧 具有变形小、压紧力大的特点。常用在空间尺寸受 而又要求强力缓冲的场合【“。 针对发射装置减震大载荷工况下缓冲减震要求, 选用环形弹簧既满足了大载荷冲击下缓冲减震要求, 又提高了导弹发射装置纵向空间利用率,满足了垂向 减震小型化需求。 收稿日期:2018—07一l0 作者简介:薛瑞娟(1983一),女,工程师,研究方向为潜载导弹水下发射技术。 68. 舰船科学技术 第40卷 本文针对环形弹簧减震特性进行静载和冲击载荷 T况下有限元分析及环形弹簧静刚度特性试验分析. 其中:P为垂向载荷;D.为环形弹簧外圆环外径; D,为环形弹簧内圆环外径; 为锥形角度; 为接触面 对数; 为自由状态下,相邻两外圆环问问隙;v为材 料泊松比;p为摩擦角,取p=8.5。;h为圆环高度,取 h=0.185D1;D0l为环形弹簧内外圆环截面中心A径 Doi=Di—bl一0.25htan ),Do2=D2+b2+0.25htan ). 理论与试验相结合,进行对比分析。 l 环形弹簧静刚度及应力应变计算 1.1环形弹簧工作原理 环形弹簧结构如图l所示,当轴向载荷Jp作用在 圆环端面上时,在外圆环和内网环接触的圆锥面上, b1和b2为环形弹簧内外圆环横截面厚度,b2:0.25h, bl=1.3b2;A 1和A 2分别为外圆环内喇环截面积, Al=hbl+0.25h tan ),A2=hb2+0.25h tan );D0为 作用有法向压力和摩擦力,使外厕环受拉伸而直径扩 大,内圆环受压缩而直径变小,各圆环沿圆锥面相对 圆锥接触面平均直径.Do=0.5(D01+Do2); 1.3环形弹簧结果分析 运动而互相压人,弹簧周向尺寸缩短,即产生弹簧轴 向位移厂【 l,而起到缓冲减震作用。 通过计算环形弹簧在外径 l90 mm时.受到不同 轴向力P情况下的环形弹簧的应力、位移及静刚度 值,如表l所示。 表1环形弹簧理论计算结果 Tab.1 The theoretical results of Ring spring 南计算结果可知,随着轴向力的增大,应力应变 图1环形弹簧截面永意图 Fig.I Scheme of ing fspring section 随之增大,静刚度值误差不大。 1.2环形弹簧应力应变及静刚度计算 2 环形弹簧静刚度有限元分析 2.1建立环形弹簧有限元模型 环形弹簧受力受很多因素的,包括厚度、锥 面角、摩擦系数等参数,通过简化计算 1,得出环形 弹簧最大应力、位移、静刚度值。最大应力出现在外 圆环内表面。 环形弹簧在外径 l90 mm时,外圆环最大应力 1m 计算公式: Pmax 环形弹簧j维模型及边界条件如I皋I 2所示,环形 弹簧共有6个接触面,由3个外圆环、2个内圆环、 2个端面圆环配合组成。 fl+ 2A 1 ] —7rAI 1× —0--O—tan( 6 +p) 一 1 0’ ( )】 2nEtan(1f)tan(l+p)1f0_‘’ 环形弹簧静刚度计算公式: 图2环形弹簧有限元模型及边界条件 足 7P。 Fig.2 Finite element model and boundary condition of ing fspring 第40卷 薛瑞娟,等:环形弹簧静刚度与 中击性能有限元分析 因为环形弹簧几何彤状、边界约束条件以及载荷 均为轴对称结构,只建 了1/4结构[1】,存保证分析精 度的情况下,大大简化r模型,减小了汁箅量。 环形弹簧采 通川线性分析步,在各个接触面施 加surface.to—surface contact约束,共6处,由于内外环 的圆锥面在T作中产,】 相对滑动,磨擦力很大,在接 触面处涂抹润滑油脂 ,摩擦系数设为0.05。 在环彤弹簧底部施加 定约束.侧面施加对称约 束,上表面施加Pressure载荷 网格划分完令使川四边肜 元结构化网格.网格 单元类型为C3D8R。 5 20t力作j{_j心 及化移云 I Fig.5 Stress and displacement distribution of under 20 t tbrce 陶6 30t力作用下心力及化移云 Fig.6 Stress and displacement distribution of under 30 t force 图3网格划分类型 Fig.3 Mesh element type 2.2有限元仿真计算 通过Abaqus计算得到环形弹簧在10 t,20 t,30 t, 40t压力载荷下的变形和应力分布情况(见『皋l 4~【皋f 7), 并计算H{静刚度值和应力,如表2和表3所示。 2.3有限元结果分析 图7 40 t力作片J F』、 力及 移 ÷ Fig.7 Stress and displacement distribution of under 40 t tbrcc F¨应乃及应变 图可知,在垂向载荷Jp作川下, 外圆环受拉伸 直径扩大,内网环受压缩而“径变 小,轴向尺寸变小。 表2有限元仿真计算结果 Tab.2 The results of Finite element simulation 从应力云 L可以看f 锥形截面上, 外 I 最人应 J…脱存 锥形戡 i I , 内网环最大心力 截而内,最大应力均小于许片J应 J l 200 MPa、 4 10t J作用下 及化移分 I 随着垂向力的增大,心力及位移随之增大,静刚 度误差不大于2% Fig.4 Stress and displacement distribution ofunder 10 t force 舰船科学技术 第40卷 表3有限元仿真计算结果(应力) Tab.3 The results of inifte element simulation(stress) 需求,实现发射装置减震小型化改进 威力/MPa l0 20 30 257 5lO 4 冲击性能有限元计算 由于发射装置可能遭受敌水中兵器攻i 受剑冲击 振动载荷作用,减震装置起缓冲作刖,从而使由发射 装置垂直方向传给导弹的冲击振动响应值.衰减到导 弹允许的范闱内,以保证导弹的安全 762 1 Ol2 40 3 环形弹簧静刚度试验 3.1静刚度试验 当发射装置受到冲击载衙时,瞬问冲击所0I起的 应力和变形比静载荷时要大的多,凶此需要考虑环形 为了检验环形弹簧的减震、吸收能量的能力,验 弹簧的冲击性能。 4.1建模 证环形弹簧有限元计算与实际刚度、理论计算刚度的 差别,利用弹簧刚度试验机:WTB.4000,公称压力 4 000 kN.在T房对环形弹簧进行静刚度试验,环形弹 根据落锤冲击试验模型,建立环形弹簧冲击刚度 模型,由于环形弹簧为轴对称结构,简化计算模型, 簧材料选用不锈钢l7-4PH,环形弹簧接触面涂抹润滑 油脂,减小接触面摩擦力及减小损伤。由加载卸载试 验数据拟合f“力.变形曲线如图8所示,静刚度值如 表4所示。 500 400 采用二维截面建模,落锤为解析性刚性体结构。 Step采用Dynamic Explicit分析步,因为冲击响应 时间很短,初步分析时,最大应力时间}l=j现在0.03 S 左右,为减小计算量.时间设定为0.05 S。 在锥形接触面处和落锤与环形弹簧上表面接触而 添加surface—to.surface contact(Explicit)接触。 z 300 200 100 O 0 2 4 6 8 J0 l2 l4 l6 l8 2O 变形/mm 图8静刚度曲线图 Fig.8 Graph ofstatic stiffness 表4试验静刚度结果 Tab.4 The results of static stif eSS 图9接触示意图 Fig.9 Scheme of interaction 3.2静刚度试验结果分析 试验结果与理论分析相一致,加载一卸载周期力.变 形f{fl线表明,由于摩擦力转化为热能所消耗的功,阻 滞了环形弹簧弹性变形的恢复,相当于减小了弹簧作 用力,起到缓冲减震作用。其大小相当于加载过程所 作功的60%~70%,因此,单位体积材料的储能能力 比其他类型弹簧要高,所以环形弹簧常用在空间尺寸 受而义要求强力缓冲的场合,针对发射装置空问 狭小,为了提高纵向空间利用率,选用环形弹簧作为 减震元件,能够很好地满足其大载荷、小空间的减震 图10环形弹簧边 条件 Fig.1 0 Boundary condition of ring spring 第4O卷 薛瑞娟,等:环形弹簧静刚度与冲击性能有限元分析 在落锤I:及环形弹簧底面分别设置参考点RP和 RP1,并赋予RP垂直向下的速度,赋予RP1同定约束。 4.2冲击性能仿真结果 快的实现瞬时缓冲,起到减震作}丑 5 结 语 1)本文通过理论计算,针对静载和冲击1 况利川 Abaqus软件进行有限元仿真,与试验结果相对比,分 析了环形弹簧各个工况下应力应变及刚度情况; 2)通过静载和冲击工况有限元分析可知,冲击刚 度要远大于静刚度; 通过动态有限元分析计算,得出冲击状态下环形弹 簧应力应变云图如罔l1所示,冲击刚度曲线如图12所示。 3)有限元仿真结果与试验结果吻合度很好; 4)环形弹簧能够很好地适应瞬时缓冲。 参考文献: 张英会.弹簧【M】.北京:机械工业出版社,1980. 赵腾伦.ABAQUS6.6在机械工程中的应用【M1.tI一陶水利水 图l1冲击工况下应力及位移云图 Fig.11 Stress and displacement distribution of under shock condition l 200 … 电出版社.2007. 赵艳梅,刘玉珍.4500 t拉伸机钳L】环形弹簧的改造….巾闲 设备工程。2005(2):25. 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