多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化技術(shù)研究

王志偉，魏志芳，苑大威，劉 偉，邵先鋒

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202；3.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009)

多股螺旋彈簧是由鋼索(一般由2～6股直徑為0.5～3 mm的鋼絲擰成)繞制而成的螺旋彈簧[1]。與普通單股螺旋彈簧相比，多股螺旋彈簧具有高壽命、高可靠性、減振、抗沖擊等優(yōu)點。多股螺旋彈簧以其優(yōu)異的性能被廣泛用作大口徑、高射速自動武器的復(fù)進簧，但由于多股螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與單股螺旋彈簧相比，多股簧的設(shè)計周期較長、設(shè)計難度較高[2-3]。傳統(tǒng)的設(shè)計流程一般采用相互獨立的CAD與CAE系統(tǒng)進行多股螺旋彈簧的設(shè)計與分析，兩個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞效率較低，且設(shè)計人員和分析人員之間易出現(xiàn)理解偏差，這會對多股螺旋彈簧設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量造成嚴重影響[4]。

筆者針對CAD/CAE系統(tǒng)的集成技術(shù)，多股復(fù)進簧數(shù)學(xué)模型、多股復(fù)進簧參數(shù)化建模方法和自動化仿真技術(shù)以及設(shè)計流程中各模塊之間數(shù)據(jù)快速傳遞技術(shù)進行了深入研究，通過Microsoft Visual Studio軟件開發(fā)平臺運用C#編程語言結(jié)合UG二次開發(fā)技術(shù)研究開發(fā)出多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化模板[5]。該模板能夠快速進行多股復(fù)進簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和計算校核，實現(xiàn)了快速建模和自動化仿真功能，實現(xiàn)了設(shè)計過程數(shù)據(jù)在各個模塊間快速傳遞，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，解決了傳統(tǒng)多股復(fù)進簧設(shè)計過程中存在的設(shè)計效率低下的問題。

1 一體化技術(shù)框架

多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化技術(shù)是將傳統(tǒng)相互獨立的設(shè)計過程相集成，搭建一體化的設(shè)計分析模板。一體化技術(shù)框架如圖1所示[6]。

該框架由結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、計算校核、參數(shù)化建模和仿真分析等基本功能模塊組成，各模塊之間相互關(guān)聯(lián)、環(huán)環(huán)相扣。采用流程化的設(shè)計方法，通過輸入設(shè)計初始數(shù)據(jù)可依次進行多股復(fù)進簧基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，結(jié)構(gòu)參數(shù)校核，多股復(fù)進簧三維實體建模和多股復(fù)進簧有限元仿真，各模塊之間數(shù)據(jù)通過讀取*.ini文件的形式自動進行交換，實現(xiàn)了設(shè)計過程數(shù)據(jù)在各個模塊間的快速傳遞，從而使設(shè)計周期大大縮短。

2 多股復(fù)進簧設(shè)計主要參數(shù)計算公式

2.1 簧絲直徑與鋼索直徑計算

假設(shè)沿垂直于多股復(fù)進簧鋼索軸線方向切開鋼索，由于鋼索中各股鋼絲的螺旋纏繞作用，鋼索橫截面上各股鋼絲截面形狀為橢圓形，且各相鄰股鋼絲截面相互相切并內(nèi)切于直徑為dc的圓內(nèi)，其中橢圓短軸長與簧絲直徑d相等，橢圓長軸長為d/cosβ[7]。多股復(fù)進簧幾何尺寸如圖2所示。

(1)

式中：P2為復(fù)進簧工作時壓縮到最大位置時的壓力；D為中徑；β為簧索擰角；[τ]為鋼絲許用剪切應(yīng)力；m為股數(shù)；i為捻索系數(shù)。

當(dāng)m=3時,

(2)

當(dāng)m=4時,

(3)

2.2 復(fù)進簧剛度計算

復(fù)進簧剛度是影響射速和射擊精度的主要因素，剛度越大，自動循環(huán)時間越短，射速越高，但同時會增加自動機的沖擊振動，降低射擊穩(wěn)定性，從而使射擊精度下降，因此在進行復(fù)進簧設(shè)計時確定復(fù)進簧的剛度是很有必要的[8]。與單股復(fù)進簧特性曲線不同，多股復(fù)進簧可分為兩個剛度大小不同的區(qū)段，如圖3所示。

OA段是由于鋼索中鋼絲螺旋扭轉(zhuǎn)加長以及鋼絲回彈作用使鋼索中各股簧絲之間產(chǎn)生間隙，從而導(dǎo)致多股復(fù)進簧與相同尺寸的并聯(lián)單股簧相比剛度較低，AD段是由于多股復(fù)進簧在外力作用下鋼索擰緊使各股簧絲之間產(chǎn)生接觸壓力，從而引起摩擦阻力，導(dǎo)致與OA段相比剛度變大。由于復(fù)進簧通常是在預(yù)壓縮狀態(tài)下進行工作，如BC段所示，因此剛度近似保持不變[9]。

(4)

式中：G為材料的切變模量；ξ為剛度系數(shù)；n為有效圈數(shù)。

2.3 復(fù)進簧靜強度與疲勞強度計算

為避免彈簧材料發(fā)生屈服，多股復(fù)進簧工作時的最大剪切應(yīng)力應(yīng)小于其材料的許用剪切應(yīng)力，根據(jù)第三強度理論多股復(fù)進簧的靜強度計算公式：

(5)

式中：H0為多股復(fù)進簧原長；H2為復(fù)進簧工作時壓縮到最大位置時的長度。

疲勞強度計算如下所示[10]：

(6)

(7)

(8)

式中:τ0為脈動循環(huán)剪切疲勞極限；[S]為設(shè)計安全系數(shù)；P1為預(yù)壓力;P2為工作載荷。

根據(jù)多股復(fù)進簧數(shù)學(xué)模型，采用C#語言在Microsoft Visual Studio軟件開發(fā)平臺中開發(fā)出多股復(fù)進簧結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計程序與計算校核程序[11]。設(shè)計人員僅需在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計程序中輸入設(shè)計參數(shù)便可快速完成多股復(fù)進簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及剛度的計算，通過讀取*.ini文件的方式將計算結(jié)果自動傳遞進入計算校核程序，完成多股復(fù)進簧靜強度及疲勞強度校核計算。

3 多股復(fù)進簧參數(shù)化建模

近年來，越來越多的產(chǎn)品采用參數(shù)化的設(shè)計理念進行設(shè)計。通過參數(shù)化進行產(chǎn)品設(shè)計可快速高效地設(shè)計出相同類型的新產(chǎn)品，避免重復(fù)的建模過程，方便產(chǎn)品的反復(fù)修改[12]。多股復(fù)進簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模難度較大，為提高設(shè)計人員建模效率，開發(fā)出參數(shù)化建模模塊。

3.1 建立螺旋線方程

根據(jù)螺旋線規(guī)律建立螺旋線參數(shù)方程:

(8)

式中：spring_t為UG系統(tǒng)自帶變量；spring_n為螺旋線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；spring_radius為螺旋線旋轉(zhuǎn)半徑；spring_height為螺旋線高度；spring_angle為每圈旋轉(zhuǎn)角度，為360°；spring_direct為旋轉(zhuǎn)方向。

3.2 多股簧參數(shù)化模型

根據(jù)所建立的螺旋線參數(shù)方程，運用UG中的規(guī)律曲線繪制螺旋線，此螺旋線為多股復(fù)進簧鋼索中心線。沿鋼索中心線運用角度規(guī)律進行掃掠，從而建立鋼索中各股簧絲的中心線，最后以各股簧絲截面形狀為參考截面沿各股簧絲的中心線進行掃掠生成多股復(fù)進簧三維參數(shù)化模型，如圖4所示。

3.3 參數(shù)化建模模塊

基于多股復(fù)進簧的參數(shù)化模型，通過UG/OPEN API(UG開放應(yīng)用程序接口)在Microsoft Visual Studio中編程來建立用戶對話框與參數(shù)化模型之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)參數(shù)化建模模塊的開發(fā)，該模塊能直接讀取結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計程序的計算結(jié)果進行參數(shù)化建模，生成滿足設(shè)計要求的三維實體模型，參數(shù)化建模模塊用戶對話框如圖5所示[13]。

實現(xiàn)參數(shù)化建模部分關(guān)鍵代碼如下所示：

strExp=“spring_d=” +d; ∥spring_d為參數(shù)化模型簧絲直徑表達式ID，d為用戶對話框簧絲直徑控件ID

theUfSession.Modl.EditExp(strExp);∥將用戶對話框控件中的值賦給參數(shù)化模型表達式的值

theUfSession.Modl.Update(); ∥更新參數(shù)化模型，完成多股復(fù)進簧三維實體建模。

4 自動化仿真分析

4.1 有限元分析流程

復(fù)進簧工作時主要承受沖擊載荷，在沖擊載荷作用下彈簧被瞬間壓縮，此時彈簧變形及應(yīng)力呈不均勻分布，且易造成應(yīng)力集中，由此產(chǎn)生的最大應(yīng)力如果超出材料的許用應(yīng)力則極易使多股復(fù)進簧簧絲斷裂，因此對復(fù)進簧沖擊載荷下應(yīng)力分析是非常有必要的。

運用UG高級仿真模塊對復(fù)進簧沖擊載荷下應(yīng)力分析的一般流程為：獲取復(fù)進簧部件并將部件理想化；構(gòu)建復(fù)進簧有限元模型，包括確定復(fù)進簧材料屬性、單元屬性和建立網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型選為CTETRA(4)或CTETRA(10)，網(wǎng)格大小根據(jù)復(fù)進簧尺寸定義；構(gòu)建復(fù)進簧仿真模型，包括設(shè)置邊界約束條件和接觸條件，采用一端簧圈固定，另一端簧圈添加強制位移的約束條件，接觸條件選擇面對面接觸；設(shè)置解算方案，選擇NX Nastran求解器中的ADVNL 701(高級非線性動態(tài)分析)解算方案類型；求解并輸出結(jié)果。

4.2 自動化仿真實現(xiàn)

為實現(xiàn)自動化仿真，采用UG操作記錄結(jié)合UG二次開發(fā)技術(shù)進行聯(lián)合開發(fā)。UG操作記錄錄制是一種快速自動化工具，它支持C#語言進行錄制，可將有限元分析人員成熟的分析流程進行錄制，并生成可編譯的*.cs代碼文件。通過調(diào)用代碼文件可自動完成整個有限元分析流程，并能重復(fù)進行有限元分析。

針對不同型號復(fù)進簧存在的材料不相同、工作行程不同等問題，采用UG二次開發(fā)技術(shù)建立用戶對話框，通過編程來驅(qū)動操作記錄中的關(guān)鍵參數(shù)進行修改。設(shè)計人員通過在對話框中輸入相關(guān)參數(shù)(如：材料屬性，軸向壓縮長度和網(wǎng)格類型等)可對仿真流程中的關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置，從而實現(xiàn)對所設(shè)計的多股復(fù)進簧自動化仿真，仿真流程如圖6所示。

5 軟件運行實例

以某小口徑自動炮復(fù)進簧為例對多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化平臺的功能進行驗證。

首先進行多股復(fù)進簧結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，設(shè)計參數(shù)計算結(jié)果輸出如圖7所示。

結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計完成后進入計算校核模塊進行“靜強度”及“疲勞強度”校核，校核結(jié)果如圖8、9所示。

結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果自動傳入?yún)?shù)化建模模塊，并快速建立相應(yīng)的多股復(fù)進簧三維實體模型；最后進入仿真分析模塊完成對多股復(fù)進簧的有限元仿真，如圖10所示。

該復(fù)進簧工作時剪切應(yīng)力與許用剪切應(yīng)力情況如表1所示，表中τ1、τ2分別為工作時剪切應(yīng)力的理論計算值和仿真輸出值，[τ]為許用剪切應(yīng)力，將理論計算值、仿真結(jié)果與許用應(yīng)力進行對比，結(jié)果表明該多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化模板所設(shè)計的多股復(fù)進簧滿足設(shè)計要求。

表1 工作剪切應(yīng)力與許用剪切應(yīng)力對比 MPa

6 結(jié)束語

通過對多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化技術(shù)深入研究，開發(fā)了設(shè)計分析一體化模板。該模板集“設(shè)計”、“校核”、“建模”和“仿真”于一體，運用該模板可快速實現(xiàn)多股復(fù)進簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、計算校核、三維模型快速建立以及自動化仿真分析等功能，并通過實例對多股復(fù)進簧設(shè)計分析一體化技術(shù)的可行性進行了驗證。通過運行實例可以看出，在多股復(fù)進簧設(shè)計過程中運用設(shè)計分析一體化技術(shù)，能夠有效縮短設(shè)計研發(fā)周期，降低研發(fā)難度，提高設(shè)計質(zhì)量，在實際設(shè)計運用中具有巨大的優(yōu)勢，也對武器系統(tǒng)同類結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計具有一定的參考價值。