[01213338]模具弹簧自由振动特性的研究

矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧（简称矩形弹簧、模具弹簧）,是随着模具制造技术的提高而逐步发展起来的,广泛地应用于冲压模、金属压铸模、塑胶模具、精密机械设备、级进冲模、高速冲模,以及汽车等领域。矩形弹簧的特点是刚性大、储能大、体积小,适用于受限制的空间,也称为强力弹簧。目前此类弹簧在我国得到了广泛的应用,对它的研发设计特别是动力特性设计提出了更高的要求。 目前,仅有极少量文献涉及到簧丝截面为矩形的螺旋弹簧的振动问题。然而已有的研究,均未考虑具有非圆截面的螺旋弹簧的翘曲变形对其振动特性的影响。本成果所采用的技术原理是：以自然弯扭梁理论为基础,首次推导了考虑翘曲变形的具有矩形截面的圆柱螺旋弹簧的运动微分方程,方程中考虑转动惯量、轴向和剪切变形,以及横截面翘曲变形和曲率、扭率的影响,并以解析的方法和改进的RICCATI传递矩阵法,得到其振动模态的显式表达式,讨论各种设计参数对其固有频率的影响。 本成果在于揭示多种设计参数对模具弹簧自由振动特性的影响,以及横截面的翘曲变形随各个参数的变化规律,明确回答：在何种工况情况下,翘曲变形是必须考虑的重要因素？何种工况下,翘曲变形是可以忽略的非重要因素？ 本文系统地研究了横截面的翘曲变形对模具螺旋弹簧自由振动固有频率的影响,得到了以下结论： 1、横截面翘曲变形对模具螺旋弹簧自由振动固有频率有很大的影响,在其动力学分析中,是必须考虑的因素。与有限元实体单元的结果进行比较,不考虑翘曲变形时,计算所得的结果误差最高可达到：36.25%～44.37%,而考虑翘曲变形后,计算所得误差降低为：0.65%～1.07%。而且随着材料复杂性的增加,翘曲变形的影响也就越发显著。 2、翘曲效应是否明显,与截面的高宽比有很大的关系。截面越狭长,翘曲对固有频率的影响就越明显。 3、对于所有的模具弹簧而言,均有截面面积越小,其固有频率越低;随着螺旋半径、螺旋角和工作圈数的增加,其固有频率越低,其中螺旋角对固有频率的影响相对较小。 4、对于各向异性材料的模具螺旋弹簧,均有材料的刚度越小,其固有频率越低;对于对称层状复合材料（单向板可以看成是它们的特例）螺旋弹簧而言,铺设的单向板的固有频率最大,铺设的对称层合板的固有频率最小。 5、通过对矩形截面的模具螺旋弹簧的研究,首次得到了一些与传统的各向同性材料圆形截面的圆柱形弹簧不同的现象： 1) 对于矩形截面的各向同性材料的圆柱螺旋弹簧,截面面积相同时,截面放置方式的不同,对其4、5阶频率有很大的影响; 2) 对于单向复合材料矩形截面的圆柱螺旋弹簧而言,截面面积相同时,截面放置方式对其固有频率几乎没有影响。这点也与各向同性材料的结果不同。 3) 随着螺旋圈数的增加,矩形截面的单向及对称层压板模具弹簧的2、3阶频率越来越接近。而这与各向同性材料的模具弹簧不同（其随着的增加, 1、2阶频率接近）。