第1章绪论
多股簧是由钢索(通常由3～14股、1～3层、0.4～14mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成)卷制而成的圆柱形螺旋弹簧，如图1.1所示。多股簧*初用于西班牙国内革命中的苏制机关枪内，由三根钢丝绕制而成，作为复进簧使用。经过几十年的研究和不断发展，具有中心股的多股簧已被生产制造并投入实际应用中。目前，多股簧主要由多股压缩弹簧、多股拉伸弹簧和多股扭转弹簧组成。其中，应用*为广泛的是多股压缩弹簧，而多股扭转弹簧应用较少。与单股簧相比，多股簧具有更高的强度及*特的吸振、减振效果，因而是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。另外，多股簧还广泛应用于振动设备(如振动筛、振动粉碎设备等)、高精度台面和平稳性要求高的运输车辆等，以取代传统的单股金属弹簧和橡胶弹簧[1-4]。
图1.1多股簧
1.1多股簧的特性
多股簧的一个重要特性是弹簧在高速往复复位过程中，钢索本身受到扭矩作用，使钢丝产生拧紧和角偏转，各股钢丝紧密接触，产生摩擦阻尼作用，从而达到良好的吸振和减振效果。多股簧的另一个重要特性是强度高、使用寿命长。对于普通的单股簧，若簧丝出现断裂等情况，弹簧即失效，只能重新更换，而很多情况下没有时间和机会更换已失效的弹簧。当多股簧的某根簧丝出现断裂时，弹簧本身的使用没有受到多大影响，并且多股簧多采用直径较小的碳素弹簧钢丝制成，钢丝直径越小，强度越高。因此，相较于单股簧，多股簧因其强度高、消振能力及抗冲击能力强、使用寿命长和安全性高等优点，具有广阔的应用前景，几乎所有使用单股簧的场合，均可考虑使用多股簧进行替代，以提高使用性能[5，6]。然而，多股簧制造工艺复杂、制造成本高且产品质量难以可靠保证等，其应用领域受到了一定的限制。
1.2多股簧的用途
1.航空发动机减振簧及外部管路支撑用隔振器
多股簧应用于航空发动机与飞机机翼结构的连接部分(图1.2)，具有低频大阻尼及高频低刚度的变参数性能，因而能够有效降低机体振动，与传统橡胶减振源相比，具有抗油、抗腐蚀、抗温差、抗高温、耐老化及体积小等优点[7]。
图1.2航空发动机中的减振簧
作为外部管路支撑用隔振器，多股簧主要用于安装固定各种液压、燃油管路，对振动加以控制，利用隔振装置耗散振动能量，减少或削弱振动的传播，从而以降低传递率来提高管路系统的环境适应性。
2.潜艇发动机隔振支座
潜艇在水下作战时，减小自身发出的噪声是遂行作战任务、防止被敌舰发现的重要要求。发动机的振动是潜艇噪声的主要来源之一，为了降低噪声，通常将发动机安装在隔振支座上。现有隔振支座常采用橡胶弹簧作为主要减振元件，然而潜艇内空间狭小，发动机工作时温度较高，且发动机组所处环境属于高油污环境，橡胶弹簧长期在该环境下工作易出现老化、性能明显退化等问题从而导致减振效果变差，降低了潜艇的可靠性和安全性，增加了维护难度和成本。
多股簧由钢丝制成，其性能稳定，受温度的影响小，在高油污环境下也能保持性能稳定，因此其已在潜艇发动机隔振支座上获得应用，将取代橡胶弹簧成为该装置的关键零件，从而有效提高潜艇的作战效能。
3.汽车内仪器仪表的多股簧减振器
安装在汽车内的仪器仪表设备，虽经过了底盘悬挂系统的**次减振，但在汽车行驶过程中由于惯性及动载荷的作用，仍会产生一定程度的振动。为保证仪器仪表的示值精度，维持其正常的使用寿命，需要在仪器仪表和安装机座之间安装减振器，以对仪器仪表整体进行隔振或减振。现有的汽车仪器仪表系统减振器一般是传统的单股簧减振机构或橡胶减振器。单股簧减振机构依靠弹簧材料的内摩擦产生阻尼，但是该阻尼作用不大，且易产生谐振，因此减振效果不好；橡胶减振器虽然内摩擦和阻尼较大，但是易老化且弹性受到温度变化的影响。
多股簧减振器是一种新型的减振器，具有强度高、承受载荷较大、快速吸收能量使振动迅速衰减、结构简单、体积小、使用寿命长等优点，可以用作减振器或隔振器弹簧，能够解决安装在汽车上自重较大的精密仪器仪表的减振问题，具有较好的应用前景[8]。
4.枪炮中的多股簧
在自动及半自动武器中，复进簧用于阻缓活动机件的后移，并通过储存的势能将其复位。复进簧为活动机件的复进、闭锁和供弹提供能量，是枪炮实现自动化的关键零件。因此，复进簧的可靠性及使用寿命是决定武器可靠性及使用寿命的重要因素。与受载后单股簧钢丝受扭转不同，具有特殊结构的多股簧侧丝主要受到拉伸作用，这使得多股簧较单股簧具有更长的寿命，发射次数可以达到单股复进簧[7]。此外，多股簧由多根钢丝组成，个别钢丝发生断裂后多股簧依然可以短暂工作，降低了枪炮发生故障的可能性。因此，在很多轻型枪炮及包括航空自动炮、高射机枪在内的大口径自动枪炮中均使用了多股复进簧[9]。MG42机枪、AR-15突击步枪(图1.3)[3][文杨4]、SIGSauerP229手枪(图1.4)等枪炮中的复进簧都为多股簧。
除了多股压缩弹簧，多股扭转弹簧也在枪炮中发挥了重要作用。击锤弹簧为枪炮中的击锤提供了旋转的动能，通过击针完成击发。击锤弹簧的可靠性及使用寿命保证了枪炮的可靠性及使用寿命。因此，具有更长疲劳寿命的多股击锤弹簧获得了广泛应用，如AK-47自动步枪中就使用了多股击锤弹簧(图1.5)。
5.机械装备中的复位簧
棘轮机构可以保证设备的安全性，在起重机等重型装备中十分常见。由棘轮机构的结构原理可知，棘爪的稳定复位是保证机构正常工作的决定性因素。因此，棘爪复位簧的可靠性及疲劳寿命十分关键。如果棘爪复位簧选择不当，轻则需经常更换，严重影响效率，重则有引发事故的风险。
图1.3MG42机枪、AR-15突击步枪内的多股簧
图1.4SIGSauerP229手枪内的多股簧
图1.5AK-47自动步枪内的多股簧
某钢铁厂的铸造起重机内使用了棘轮机构，原配普通棘爪复位簧寿命很短，不超过八个月，因此需要经常更换。更换棘爪复位簧操作复杂，十分耗时，在此期间，需要中断炼钢车间的生产，造成加工效率下降及效益损失。在将单股棘爪复位簧换成多股棘爪复位簧之后(图1.6)，棘轮机构更换棘爪复位簧的频率降低超过70%，显著提高了生产效率。
图1.6棘轮机构内的多股簧
6.摩托车中的减振弹簧[5][文杨6]
摩托车作为一种经济、灵活且适用性强的交通工具，在偏远地区具有不可替代的作用。随着越来越多的城市加入禁摩队伍[10]，偏远地区成为摩托车的主要消费市场。因此，摩托车在复杂、颠簸路面的表现成为摩托车的重要性能指标。传统摩托车减振器中的单股簧在频繁的不规律剧烈振动作用下，性能会很快退化。某摩托车企业将减振器中的单股簧换成多股簧后(图1.7)，其减振器的寿命和舒适性得到了明显提升。
图1.7摩托车后减振器中的多股簧
综上，多股簧是**及民用领域的重要零件。随着越来越多的企业意识到多股簧的优点，多股簧在民用领域的需求越来越大。早期多股簧作为武器装备中的关键零部件，其设计制造方法对我国严格保密。我国的**产业起步较晚，导致我国的多股簧研制在相当长的时间内处于落后状态。多股簧的研发周期长、制造良品率低下、可靠性差等，制约了相关**和民用产品的发展。为了填补国内多股簧设计制造及理论分析的空白，近年来，作者课题组开展了大量的研究。在多股簧的制造装备方面，作者课题组研制了三代多股簧数控加工专用机床，先后解决了多股簧的数控精密制造和全自动制造效率低的问题。在基础理论方面，作者课题组基于二次螺旋建立了多股簧几何模型。在力学响应方面，作者课题组建立了多股簧静态响应的两态模型和动态响应的现象模型。在疲劳寿命方面，作者课题组研究了多股簧丝间的微动磨损，并基于试验法与有限元法进行了多股簧疲劳寿命的研究。在制造回弹方面，作者课题组基于试验法与有限元法进行了多股簧冷绕回弹的研究。然而，多股簧冷绕成形工艺参数的设计效率依然很低，静态响应模型的精度仍然不足，动态响应预测模型的研究尚为空白。这是因为多股簧丝间相互作用的相关研究尚未深入。多股簧丝间的相互作用会导致侧丝变形及丝间摩擦，是多股簧非线性刚度及迟滞阻尼的主要成因。因此，分析多股簧内丝间相互作用，建立多股簧的力学-几何耦合模型，提出多股簧静动态响应预测模型，探明多股簧制造回弹规律对于提高多股簧设计制造效率、推广多股簧的应用具有重大意义。
7.其他方面的应用
黄之初等[8]把多股簧应用于新型变激励振动磨上，保证了磨机在变激励作用下四维运动的稳定性和安全性，同时对磨机共振时出现的大振幅起到弹性限位的作用。宋方臻等[11，12]从转子系统的动力学角度入手，将多股簧应用于立式冲击破碎机，利用其非线性特性降低了共振幅值，提高了机器的稳定性，达到了良好的减振降噪和延长轴承寿命的效果。田正东等[13]基于多股簧和磁流变阻器相结合的思想设计出船用智能抗冲击隔离器，同时解决了中低频减振和高频抗冲击的问题。
1.3多股簧的国内外研究进展
1.3.1多股簧基础理论的研究进展
几何模型是多股簧理论研究的基础，对多股簧的动静态响应、制造回弹、疲劳寿命等研究至关重要。除了多股簧制造方法及少量现象模型外，绝大部分多股簧的理论研究和有限元分析都强烈依赖精确的几何模型。
多股簧中心线对应的几何参数包括弹簧中径、弹簧螺距、弹簧螺旋角，钢丝中心线几何参数包括侧丝分布圆半径、侧丝捻距、侧丝捻角、侧丝捻向。此外，还有芯丝直径、侧丝直径、侧丝股数、钢索层数等基础参数。建立多股簧钢索中外层钢丝数量、外层钢丝直径、外层钢丝捻距等参数与外层钢丝分布圆直径之
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