1、实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期某航空密封件波形弹簧力学性能分析袁红彬，陈康文，田井文（中国航发长江动力有限公司，湖南 岳阳 414100）波形弹簧主要应用于飞机和发动机附件传动系统、发动机主气流通道和二次气流通道以及主轴支点轴承滑油系统、直升机传动系统的密封组件中作为弹性补偿件以保证主密封副的贴合，是航空用密封件产品的重要组成部分。弹簧结构为带有若干个正弦波形（单层或者多层）环件，相较于传统弹簧，波形弹簧的变形能是由波峰波谷的变形存储，轴向或径向尺寸普遍较小，拥有更好的储能、缓冲、减震和降噪能力1-4。其中，单层波
2、形弹簧被广泛地应用在载荷和变形都比较小的工作场合，同时因为其拥有相对较为稳定的刚度特性曲线，因而也常被使用在对精度有特殊需求的场合，如当前航空发动机中常见的石墨端面密封结构，采用的就是用单层波形弹簧为主密封副提供补偿力，进而达到密封效果。目前国内外研究主要集中于弹簧的新结构设计、热处理工艺、残余形变或模态计算等方面。如汪潭5通过材料力学的弯曲梁模型理论方法对波形弹簧单个波形进行简化，以单个波峰为中心的半波进行简化、分析以及弹力计算，得到波形弹簧弹簧力的计算公式。周文凤等6利用工装以及回火热处理控制工艺提高波形弹簧的合格率。王振春等7则对波形弹簧的加工工艺进行了研究探讨，确定最佳工艺路线并优化模
3、具结构。学者们对波形弹簧加工工艺以及新型结构设计优化8-11等方面均有所建树。然而，设计研究方向较为分散，目前市面上波形弹簧产品质量参差不齐，弹簧的力学性能差，稳定性难于保证等问题普遍存在，对波形弹簧承载特性受结构参数影响的研究相对较少，波形弹簧的研究还需要更加深入具体。因此，本文以有限元方法探讨分析波宽、波厚和自基金项目：江西省教育厅科技厅科研项目（GJJ190531）第一作者简介：袁红彬（1996-），男，工程师。研究方向为材料加工工艺。摘要：该项目通过 ABAQUS 软件仿真平台搭建 0Cr17Ni7Al 波形弹簧弹力试验模型，分析材料厚度、径向宽度以及自由高度等对于波形弹簧弹力影响并揭
4、示其规律。结果表明，波数为 3 的波形弹簧弹力值随着材料厚度、径向宽度以及自由高度增大而呈现出指数增长趋势，其 Mises 应力同样表现出增大趋势。通过极差分析后发现波形弹簧刚度以及最大等效应力对结构参数的敏感程度不一，最大等效应力对自由高度变化最为敏感，其次为波厚，自由高度变化则对刚度影响较小。而刚度对材料宽度变化最为敏感，其次为材料厚度，自由高度变化则影响较小。关键词：高温合金；波形弹簧；刚度；有限元分析；极差分析中图分类号：TH135文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0057-04Abstract:In this project,the elastic test
5、 model of 0Cr17Ni7Al waveform spring is built by ABAQUS software simulationplatform.The effects of material thickness,radial width and free height on the elastic force of wave spring are analyzed and itslaw is revealed.The results show that the elastic force of the wave number 3 wave spring increase
6、s exponentially with theincrease of material thickness,radial width and free height,and the Mises stress also increases.Through the range analysis,it isfound that the wave spring stiffness and the maximum equivalent stress have different sensitivity to the structural parameters,themaximum equivalent
7、 stress is the most sensitive to the change of free height,followed by the wave thickness,and the change offree height has little influence on the stiffness.The stiffness is the most sensitive to the change of material width,followed by thethickness of material,and the change of free height has litt
8、le influence.Keywords:superalloy;waveform spring;stiffness;finite element analysis;range analysisDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.01457-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application由高度等结构参数对波形弹簧力学性能的影响。利用正交分析提取了承载特性的敏感因子，并基于有限元分析结果，采用 0Cr17Ni7Al 高温合金环坯进行回弹试验，旨在验证模型的可靠性。为波形弹簧的结构设计与优化提供参考
9、。1有限元模型建立基于 ABAQUS/Explicit 软件平台建立了如图 1所示的液压有限元模型，建模过程中解决了以下关键技术。图1波形弹簧有限元模型1）网格处理：上下模具设定解析刚体，不用划分网格，以便于减少计算时间。波形弹簧网格类型选择为C3D8I，进一步降低计算成本，尺寸为 0.1 mm，元素总数为 27 684。2）摩擦边界条件处理：弹簧在下压以及回弹过程中，摩擦因数取 0.15。波形弹簧材料设为弹塑性材料，材料塑性变形服从 Mises 屈服准则，弹性模量符合杨氏模量。3）材料设定：本研究中波形弹簧材料为 0Cr17Ni7Al 不锈钢，其物理性能见表 1。4）基本假设：波形弹簧材料为
10、各向同性，屈服满足?=Kn；不考虑上下压模的弹性变形；摩擦力符合库伦摩擦定律；波形弹簧两侧压板径向固定，不存在滑移。5）运动轨迹控制：选取下模施加固定约束后再进行摩擦约束及压缩设置。设置上模仅延 Y 方向运动，总行程为 1.8 mm 工作高度，完成波形弹簧的下压和回弹的工作过程。考虑到波形弹簧在轴向上存在几何非线性，因此在分析步的设置中打开几何非线性。如图 2 所示。2结果与讨论2.1有限元模拟条件与评价指标波形弹簧主要结构参数为弹簧的内径 Dn、外径Dw、厚度、波数 N 和自由高度 H 等。具体建模公式如下密度/(gm?)弹性模量/MPa泊松比屈服强度R?/MPa抗拉强度/MPa延伸率(%)
11、7.65203.40.3725.51 476.212表10Cr17Ni7Al物理参数图2波形弹簧有限元模型()/2*sin 360*/2*cos 360*/2*sin 360*()()*(XDwtYDwtZHtN=-;。下压 100%下压 100%下压 50%下压 0%波簧应力分布云图XYZS，Mises（平均：75%）+5.858e+02+5.378e+02+4.899e+02+4.419e+02+3.939e+02+3.459e+02+2.980e+02+2.500e+02+2.020e+02+1.541e+02+1.061e+02+5.810e+01+1.013e+01上压模波簧下压模X
12、ZYRPRPXYZ58-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期仿真值测试值3.02.52.01.51.00.50.0轴向载荷/N轴向压缩量/mm0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0本研究中所模拟的对象直径为 80 mm，自由高度4.8 mm，厚度 0.4 mm 的 0Cr17Ni7Al 高温合金单层波形弹簧下压以及回弹过程，弹簧的具体结构参数见表 2。表20Cr17Ni7Al弹簧的结构参数2.2有限元模拟结果分析2.2.1刚度计算研究采用仿真计算、理论分析以及试验检测方法研
13、究波形弹簧的刚度变化。3 种方法所得刚度特性曲线如图 3 所示。由波形弹簧刚度以及结构建模计算公式可知，其材料厚度、径向宽度和自由高度等均对弹力性能造成直接性影响，因而分别将这几个参数作为刚度影响因素进行承载特性分析研究，确认其影响规律。其中，刚度理论计算公式为式中：K 为理论刚度值；N 为波数；D0与 Di分别为弹簧外径和内径，mm；t 为弹簧厚度，mm；K*为径向位移修下系数2。由图 4 可知，数值分析计算与试验拟合度较高，说明了本研究中波形弹簧的仿真计算值真实可靠。仿真结果与测试数值均表现出轴向载荷与轴向压缩量呈现近 线 性 状，这 意 味 着 在 常 温 条 件 下 该 型 号 的0C
14、r17Ni7Al 波形弹簧在压缩量 01.8 mm 工作范围内轴向刚度基本保持不变。此外，如图 3 所示，0Cr17Ni7Al 波形弹簧的刚度理论值、实验值以及仿真值均表现出随着波形弹簧材料厚度、宽度的增大而增大，然而自由高度变化则对波形弹簧的刚度值影响较小。因此在实际设计过程中，在保持波形个数不变基础上通过调节波形弹簧的厚度以及宽度可以有效地改变波形弹簧设计刚度。正弦波 数量 外径/mm 中径/mm 内径/mm 自由高度/mm 工作高度/mm 3 80 78 76 3.3/mm 1.8?-64=FD DEt NKKHHDD=-+,()图3波形弹簧结构参数对弹簧刚度的影响仿真值理论值实验值仿真
15、值计算值实验值仿真值计算值实验值刚度/（N mm-1）刚度/（N mm-1）刚度/（N mm-1）自由高度/mm宽度/mm波簧厚度/mm1.41.61.82.02.22.22.42.64.704.754.804.854.900.460.440.420.400.380.360.340.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.51.01.52.02.53.01.01.52.02.53.00.5图4波形弹簧刚度分析曲线2.2最大等效应力图 5 是波形弹簧压缩至 1.8 mm 工作高度时，其厚度、宽度以及自由高度对最大等效应力影响。可以看出，随着波形弹簧厚度、宽度以及自由高度
16、的不断增大，波形弹簧的最大等效应力均呈现出线性增加趋势，其数值也都低于 0Cr17Ni7Al 不锈钢材料的屈服值，这说明波形弹簧在工作高度范围内使用不会产生屈服现象。同时可以注意到材料厚度以及波形弹簧宽度所带来的 Von-Mises 增加幅度值则出现逐渐下降趋势，这与自由高度变化所带来的最大等效应力变化幅值趋势不一致。部分学者认为12，这是由于波形弹簧宽度的增加会一定程度上减少其在压缩过程中应力集中的产生，从而导致了最大等效应力增加幅度有所下降。3极差分析波形弹簧的承载特性受到多因素综合影响，通过正交实验法可研究承载特性敏感因子，能够在设计过程中有效地优化波形弹簧结构，找出最好的特性参数组合，为波形弹簧的设计与优化提供数据支撑。正交实验通过利用规格化的正交表来设计多因素的试验方案以达到减少实验次数获得最优因素水平设计方法。59-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application在本次研究中，通过正交试验法来设计波形弹簧的压缩回弹仿真试验方案，用最短的时间完成最少的仿真次数，以便最快速得到波形弹簧的承载特性敏感因子排序，提高设计
