精密微小組件球面碟簧等效解析模型構(gòu)建方法

張培源 孫斌 劉海斌 朱林波

摘要：球面碟簧是精密微小組件的核心部件，其位移特性直接決定了組件系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為了快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)球面碟簧位移特性，提出了基于大撓度薄板彎曲理論的碟形彈簧力學(xué)建模方法，開(kāi)發(fā)了精密微小組件球面碟簧的等效模型，該模型包含一個(gè)取值區(qū)間在[0，1]范圍內(nèi)的等效因數(shù)；構(gòu)建了球面碟簧三維有限元模型，討論了球面碟簧等效模型關(guān)鍵等效因數(shù)的選取與確定方法。研究結(jié)果表明，球面碟簧小徑和球面半徑對(duì)最優(yōu)等效因數(shù)影響不大，而球面碟簧厚度與高度影響顯著；球面碟簧厚度越厚，高度越高，則等效模型與有限元計(jì)算誤差整體越大，且位移特性曲線穩(wěn)定區(qū)段逐漸變窄。以此為基礎(chǔ)，將最優(yōu)等效因數(shù)看作包含球面碟簧厚度和高度尺寸信息的無(wú)量綱函數(shù)，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到最優(yōu)等效因數(shù)無(wú)量綱表達(dá)式，提高了精密微小組件球面碟簧等效模型預(yù)測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：球面碟簧；薄殼力學(xué)；等效模型；大撓度；位移特性

中圖分類號(hào)：TH135+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.04.012

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20170870005），中國(guó)博士后科學(xué)基金（2018M631144，2019T120897）

機(jī)械擺式加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的敏感器件，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域，其性能直接決定了慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)精度[1-5]。球面碟簧是機(jī)械擺式加速度計(jì)微小鎖緊機(jī)構(gòu)的核心部件，其位移特性直接決定著鎖緊機(jī)構(gòu)連接載荷的水平和穩(wěn)定性，從而影響加速度計(jì)擺組件的安裝狀態(tài)和零偏誤差。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于碟簧載荷—變形特性研究均以標(biāo)準(zhǔn)碟簧為研究對(duì)象，主要有三種方法：A-L近似解法、基于彈性板殼理論的解析方法和有限單元法。A-L近似解法由美國(guó)學(xué)者J.O.Almen和A. Laszio提出[6]，該理論簡(jiǎn)單，且計(jì)算方便，在工程中被廣泛使用，國(guó)標(biāo)中針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)碟簧給出的載荷—變形特性和應(yīng)力分量計(jì)算方法便基于此方法，但該方法存在一定的假設(shè)條件，僅適用于高厚比h/t≤1.18和內(nèi)外徑比D/d≤2的低錐度碟簧。為了擴(kuò)大該理論的適用范圍，在A-L解法基礎(chǔ)上，有學(xué)者假設(shè)碟簧截面繞某一中心轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮了切應(yīng)力和徑向應(yīng)力的聯(lián)系，得到了更準(zhǔn)確的計(jì)算方法[7]。

眾多學(xué)者嘗試采用板殼理論直接求解碟簧剛度特性。Huebner[8]采用一般軸對(duì)稱圓錐殼體理論分析了碟簧變形和應(yīng)力特性，獲得了碟形彈簧設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。國(guó)內(nèi)易先忠基于厚板彎曲變形理論建立了較高精度的碟簧載荷—變形數(shù)學(xué)模型[9]，后續(xù)通過(guò)考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)特征和工作特點(diǎn)，進(jìn)一步提出運(yùn)用板殼理論中具有初始曲率大撓度的薄板彎曲模型，建立了更為簡(jiǎn)化的解析模型[10]。

近年來(lái)，有限元技術(shù)被廣泛應(yīng)用于碟簧特性分析之中。Dubey等[11]利用有限元方法對(duì)碟簧應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。武銳等[12]建立了組合碟簧有限元模型，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，分析了不同碟簧組合形式下的靜剛度特性。蘇軍等[13]建立了碟簧二維和三維有限元模型，改進(jìn)了碟簧加載方法，獲得了不同類型碟簧的非線性變形特性曲線。

然而，對(duì)于球面碟簧而言，一方面其受載過(guò)程中，扇環(huán)狀剖面繞某一中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的假設(shè)不成立，A-L近似解法無(wú)法直接使用；另一方面，球面碟簧具有幾何和材料非線性特點(diǎn)，使得基于板殼理論建立解析模型變得尤為復(fù)雜；另外，有限元方法往往針對(duì)具體對(duì)象和個(gè)案，缺乏通用性，無(wú)法在工程實(shí)際中大規(guī)模使用。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于大撓度薄板彎曲理論的碟形彈簧力學(xué)建模方法，以此為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)精密微小組件球面碟簧的等效模型，并利用有限元技術(shù)研究球面碟簧等效模型關(guān)鍵等效因數(shù)的選取與確定方法，找到影響等效因數(shù)的關(guān)鍵尺寸因素，并通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到最優(yōu)等效因數(shù)無(wú)量綱表達(dá)式，據(jù)此提高精密微小組件球面碟簧等效模型的預(yù)測(cè)精度。

1基于大撓度薄板彎曲理論的碟形彈簧力學(xué)建模方法

通過(guò)分析碟形彈簧在工作過(guò)程中的受力狀態(tài)，本文提出以下假設(shè)條件[6，10，14]：（1）碟簧的矩形橫截面在承受載荷時(shí)不變形，只是繞中點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，即忽略徑向應(yīng)力的影響；（2）碟簧外加載荷和支撐面反作用力沿內(nèi)、外圓周均勻分布；（3）材料為線彈性體，各向同性；（4）忽略摩擦力影響；（5）碟簧經(jīng)淬火、噴丸、強(qiáng)壓處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不予考慮。

為了綜合考慮工程碟形彈簧薄膜內(nèi)力、彎曲內(nèi)力和中面變形三者的組合效應(yīng)，可采用大撓度薄板彎曲理論建立碟形彈簧的基本方程組。同時(shí)，考慮到碟形彈簧本身帶有一定的原始錐度，將碟形彈簧簡(jiǎn)化為具有初始曲率的大撓度薄板彎曲模型，其中錐形碟簧示意圖如圖1所示。

2球面碟簧等效建模方法

目前，基于大撓度薄板彎曲理論的碟形彈簧力學(xué)建模方法已被廣泛應(yīng)用于錐形碟簧的位移與剛度特性的分析之中。然而，該理論尚且存在一定的局限性，無(wú)法直接應(yīng)用于描述精密微小組件球面碟簧的位移與剛度特性。

圖2為某型號(hào)機(jī)械擺式加速度計(jì)中使用的球面碟簧截面尺寸示意圖，其中球面碟簧的厚度T=0.1mm，中曲面曲率半徑SR=7mm，則T/SR=1/70。圖3為其截面簡(jiǎn)化圖，圖4為其截面尺寸關(guān)系簡(jiǎn)化圖。

由板殼理論可知[15-16]，當(dāng)T/SR的最大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，且可忽略時(shí)，定義該結(jié)構(gòu)屬于薄殼，反之則為中厚殼或厚殼。而在工程計(jì)算中，一般認(rèn)為T(mén)/SR<1/20時(shí)，該類板殼結(jié)構(gòu)屬于薄殼。由此可見(jiàn)，精密微小組件球面碟簧屬于薄殼理論的范疇，與錐形碟簧求解理論類似。

其中，多項(xiàng)式回歸方程與真實(shí)數(shù)據(jù)輸出之間的相似程度R2=0.9999，說(shuō)明擬合表達(dá)式可信度高。

5結(jié)論

通過(guò)分析，得出以下結(jié)論：

（1）提出了基于大撓度薄板彎曲理論的碟形彈簧力學(xué)建模方法，以此為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了精密微小組件球面碟簧的等效模型，該模型包含一個(gè)取值區(qū)間在[0，1]范圍內(nèi)的等效因數(shù)λ。

（2）構(gòu)建了球面碟簧三維有限元模型，分析了位移特性曲線，系統(tǒng)討論了球面碟簧等效模型關(guān)鍵等效因數(shù)λ的選取與確定方法。

（3）研究表明：球面碟簧小徑和球面半徑對(duì)最優(yōu)等效因數(shù)λ影響不大，而球面碟簧厚度與高度影響顯著；球面碟簧厚度越厚，等效模型與有限元計(jì)算誤差整體變大，且位移特性曲線穩(wěn)定區(qū)段逐漸減弱，球面碟簧剛度明顯變大，最大承載能力顯著增強(qiáng)；球面碟簧高度越高，等效模型與有限元計(jì)算誤差大幅增大，位移特性曲線穩(wěn)定區(qū)段相應(yīng)減弱，球面碟簧最大承載力有所增加。

（4）將最優(yōu)等效系數(shù)λ看作包含球面碟簧厚度和高度尺寸信息的無(wú)量綱函數(shù)，通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到最優(yōu)等效因數(shù)λ無(wú)量綱表達(dá)式，提高了精密微小組件球面碟簧等效模型預(yù)測(cè)精度，后續(xù)將開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證所提等效模型的正確性。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

張培源（1989-）男，碩士。主要研究方向：精密微小器件性能穩(wěn)定性研究。

Tel： 029-83395038E-mail： a1989111111@163.com

朱林波（1985-）男，博士，講師。主要研究方向：精準(zhǔn)數(shù)字裝配理論與技術(shù)。

Tel： 029-83395038E-mail：linbozhu@mail.xjtu.edu.cn

Equivalent Modeling Approach of Spherical Disc Springs for Precision Miniature Components

Zhang Peiyuan1，Sun Bin2，Liu Haibin2，Zhu Linbo3，*

1. Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China 2. AVIC Xian Flight Automatic Control Research Institut，Xian 710077，China

3. School of Chemical Engineering and Technology，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China

Abstract： Spherical disc springs are the core components of precision miniature assembly， and their displacement characteristics directly determine the reliability and stability of the assembly systems. In order to quickly and accurately predict the displacement characteristics of spherical disc springs， this paper presents a mechanical modeling method for disc springs based on the thin plate flexure theory with large deflection. Consequently， an equivalent model of spherical disc springs for precision miniature components is developed. The model involves an equivalent coefficient with the range of [0， 1]. The three-dimensional Finite Element （FE） model of the spherical disc spring is built to determine the key equivalent coefficient. The analysis results show that the internal radius and spherical radius of spherical disc spring have little effect on the optimal equivalent coefficient， while the thickness and height have significant influence； The increases of the thickness and height will increase the calculation error between the equivalent model and FE model， and the stable range of the displacement characteristic curve is gradually narrowed. Based on this， the optimal equivalent coefficient as a dimensionless function with the thickness and height of the spherical disc spring is obtained by polynomial fitting， which can improve the prediction accuracy of the spherical disc spring equivalent model for precision miniature components.

Key Words： spherical disc spring； shell theory； equivalent model； large deflection； displacement characteristics