多股螺旋弹簧由多根钢丝拧成的钢索卷制而成的圆柱螺旋弹簧,钢索其中间层和外层通常由2~7股0.4~3 mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成,就强度、刚度而言多股簧比同尺寸单股簧强3至5倍。由于多股簧在动载响应中表现出明显的强非线性、强阻尼、恢复力迟滞等特性,使得其可以胜任负载强度大、减振效果好、可靠性强等要求的应用工况:在一些军备器件(如自动手枪、航空机炮等)中可作为复进簧,承担武器击发储能的职能;在一些民用设备中(如大型矿机、车间起重机等)可用作设备的复位弹簧,保证设备处于正常工位。多股簧作为特定系统的复位元件或储能元件时,难免受到冲击载荷或周期谐波载荷,因此在推广使用过程中,对于这两种工况下的响应特性分析就显得尤为必要。此外,在多股簧动态特性试验过程中,发现多股簧工件由于机床张力不均匀导致成型质量极差,严重影响了动态特性试验进展,本文也针对该问题一并进行了研究。本文就以下问题展开了研究:(1)针对多股簧数控加工机床张力控制系统,建立了钢丝张力产生机理及钢丝间互相作用的动力学模型,并采用控制系统的实际参数,基于Matlab/Simulink搭建了三钢丝通道的张力仿真平台;通过在指定时刻施加阶跃信号实现了加工过程某一通道钢丝张力突变情况的模拟;结合工程经验设置不同PID参数组合,并通过试验验证寻找到了改善钢丝张力一致性的最佳参数。这部分研究的本质是机床加工过程的张力仿真,对钢丝张力突变可能导致的结果进行了深入分析,可以大大提高张力控制系统的调试效率,在不占用机床硬件资源的前提下实现最优PID参数配置,为多股簧不停机调试、批量化生产提供更多可能。(2)对描述多股簧恢复力迟滞现象的归一化Bouc-Wen模型特性进行了深入分析,通过数值仿真分析发现,Bouc-Wen模型所描述的非线性放大因子项在一个运动周期内与弹簧自由端速度间存在二次非线性关系,由此提出将二自由度BoucWen模型退化为单自由度非线性模型的方法,为多股簧动态特性分析奠定了模型基础。(3)通过引入退化的Bouc-Wen模型建立了单自由度多股簧系统的运动瞬态响应微分方程,并选取摩托车减振器的性能参数进行数值仿真,得到了自由端质量块的位移、速度以及Bouc-Wen极限环能量耗散曲线等信息;采用改进L-P法将原强非线性系统转换为较弱的非线性系统,并用多尺度法得到了多股簧系统动态响应的封闭形式解。这部分研究填补了黑箱系统非线性响应参数识别的模型空缺,所得成果可用于多股簧系统动力学参数估算,在获得系统瞬态响应曲线的前提下,可通过非线性参数识别方法反向求解出系统的动力学参数。(4)针对工程中应用更多的谐波激励工况,通过引入退化的Bouc-Wen模型建立了单质量多股簧系统稳态响应微分方程;首先,采用谐波平衡法推导了原方程的单谐波解,并通过与四阶R-K算法求解结果对比,发现单谐波方法不能准确描述非线性振动的次谐、超谐共振特性;然后,采用半数值半解析的增量-谐波平衡法对原微分方程进行多谐波平衡,将其转换为非线性最优化问题进行求解;最后,通过试验分别对比了两种谐波方法对系统幅频响应特性的求解精度。这部分研究结果表明,单谐波方法仅适用于小振幅、微弱谐波分量激励下弱非线性多股簧系统分析,而增量-谐波平衡法是求解强非线性多股簧系统稳态谐波响应的有效方法。(5)探究了成型质量对多股簧-质量系统动态响应特性的影响。基于多股簧系统瞬态响应和稳态谐波响应定量分析方法,选取不同成型质量的多股簧动载参数进行数值计算,计算结果表明:结构损伤使得多股簧的静态刚度遭到削弱,降低了多股簧的最大承载能力和弹簧稳定性;刚度损伤降低了多股簧系统的动态响应速度;阻尼损伤大大降低了多股簧的吸振、减振能力。本文研究内容可指导多股簧加工制造,为冲击工况下的多股簧系统提供正向设计及反向分析,同时也为谐波负载下多股簧减振系统的响应分析提供有效的解决方案。这一系列研究成果有助于多股簧的工程推广,具备较大的应用价值。