基于ANSYS的变刚度螺旋弹簧优化设计

第 2卷第 1 9期 20 0 9年 2月

辽宁x 3大学学报 ( _k,自然科学版)J unl f io igUnvri f eh oo yNa rl c neE io ) o ra o a nn ies y c n lg ( t a S i c dt n L to T u e i

Vb .9 NO 1 1 . . 2

F b 2 ( e . o) 9

基于 A S S的变刚度螺旋弹簧优化设计 NY石丽娜，曾红，刘淑芬 (辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 110 ) 20 1

摘要：结合现有的弹簧设计理论及方法和 AN YS软件的优化功能，采用 AP L语言实现了一种变刚度螺 S D旋弹簧参数化的优化设计，给出其基本设计过程。采用该程序对实例中的弹簧进行优化分析，实例表明，提出的设计方法简单易行，结果合理。

关键词：变刚度螺旋弹簧；A YS NS;优化设计中图分类号：T 3 1 2 P 9. 7文献标识码：B 文童编号：17 2 120 )1 0 4o 6 43 6 (0 90 . 4 .4 0

Op i ie sg f ra l t n s p r l p i g t z dDe in o ib eS i e sS ia rn m Va f S Ba e nANS sdo YSS — a ZENG n HILin, Ho g, LI S u f n U h—e( c a i a n i e rn Me h nc l g n e i g& Auo t nCol g, a n n i e st f e h o o y Jn h u 1 1 0, i a E t mai l e Lio ig Un v r i o T c n l g, i z o 2 0 1 Ch n ) o e y

K e r s v ra l t n s p r p n; y wo d: a i b esi e s ia s r g ANS; p i z dd sg f s l i YS o t mi e e i n Ab t a t An o t a d s n wa l me t d f rav ra l t n s p r l p n y u i g AP sr c: p i l e i si e n e a i be si e s ia s r g b s DL m g mp o f s i n a l a o i ai g e it g d sg e r . t o so rn n p i z t n f n t n o swel sc mb n t x si e i n t o y me d f p g a d o t n n h h si mi ai u c i f

ANS . o o YS 砀 e b scd s n p o e swa r v d d砀 e a o t n o i p o r mme o c u l p n p mi a o a i e i r c s s p o i e . g d p i ft s r g a o h n a t a r g o t z t n si i i d s n a d a a y i x ait d t a e p o o e e i n me h s f a i l d t e r s l wa e i n n l ss e p t e t t r p s d d s t o wa e sb e a h e u t g a h h g d n s ra o a l . e s n b e

变刚度螺旋弹簧有变节距、变中径、变簧丝直径或几种同时变化等几种形式，以其变刚度特性且在工业各领域得到广泛应用，特别是在汽车行业， 由于人们对汽车平顺性能越来越高的要求，而变刚度螺旋弹簧的变刚度特性恰恰能满足此需求，因此受到了青睐。变节距螺旋弹簧作为变刚度螺旋弹簧

段不同尺寸的等节距螺旋弹簧所组成的，本论文选

择前者作为研究对象。不等节距弹簧变形工作原理，可以用若干等节距的串联来加以分析。此种变节距螺旋弹簧结构如图 l示。所

、厂、

/.、

^

/_、、

/_、

/^\

,

的代表，对其进行研究非常具有实际意义。本文将运用A Y软件对一种变节距螺旋弹簧进行优化 NS S分析。

l l \ l入V\ V、 V\ |图1变节距螺旋弹簧结构图

l/

1变节距螺旋弹簧与A Y优化方 NS S法选择11变节距螺旋弹簧 .工程上常用的变节距螺旋弹簧是由两段或三

1基于ANS的优化分析技术 . 2 YS基于A YS NS的设计优化程序的实现，本通过基

四个基本要素来实现：设计变量 ( s DV )、状态变量 ( V )、目标函数 ( jcie u c o )和优化 Ss Obet F n“ n v

收稿日期：20— 82 080—9作者简介：石丽娜 (9 8 ) 17一，女(族)满，辽宁锦州人，硕士生。 曾红 (9 4 ) 16一，女，辽宁锦州人，教授，硕士。

第l期

石丽娜等：于 A S S的变刚度螺旋弹簧优化设计基 NY:

4 5

计算方法即优化设计工具的选择。

在 A YS状态变量和目标函数可以通过有 NS

中，限元计算后从结果文件中读取，也可以由公式给定，鉴于弹簧分析需要的状态变量多，如果从有限

8D

其中： G为材料剪切模量。在弹簧压并前，相当于两根弹簧不同节距的弹簧串联，,

元分析提取结果的话，需要做多种分析，而且分析会涉及到复杂的接触定义等，计算效率和准确性均不理想，而弹簧理论研究完善，相关状态变量都有较准确的表达公式，直接用公式求解速度快，准确

Gd

咖 l

而

<,a K ol m I< t

要求整体刚度在一定范围内，

( )疲劳强度要求：按最小应力…=C ( 4常

性也有保障。因此本论文采用弹簧理论公式作为进行优化求解的依据，并建立了参数化的优化系统。

值 )情况，其安全系数可简化为:‘ m aX

≥

2变刚度螺旋弹簧优化设计实现21设计变量的选择 .

其中： T为脉动疲劳极限； m为最小安全系数。 O i 本文因设计计算和试验数据精确性较高，取=l 3 17. -~ . ‘

设计弹簧时，除选择材料及规定热处理要求外，主要是根据最大工作载荷、最大变形以及结构要求等来确定弹簧的钢丝直径d、中径 D、工作圈数 n、节距戚螺旋升角和高度等参数。通常取弹簧钢丝直径d,中径D和工作圈数n为最优化设计的设计变量。即：

( )最大载荷不碰圈的要求：弹簧的总高为 5H o nt+ n t+ d ㈩ 22

其中：t 2 l为两圈的节距，并紧后的高度为、tH=10 d[n+n )】 d/ .1 ( 2一1+2 3

弹簧的最大变形量为:~

要求满足≤一

22状态变量的选择 .约束条件的选择根据弹簧的实际需要来确定，

( )不失稳条件： b: 6D

≤53 -

对变刚度弹簧的约束条件主要有：刚度要求、安装空间对中径D与高度倒狗限制、旋绕比C围、剪范

( )螺升角： 7

:aca rtn兀

以上公式刚度以及剪应力等建立在假设 5≤t。; t ≤9,否则弹簧性能会有较大差异。。23目标函数的建立 .

切强度 f -条件、稳定条件、疲劳强度条件、螺升角等。本论文选取以下状态变量：( )旋绕比要求 1c:

目标函数可

根据弹簧的工作特点和对它的专

旦d

本文取 4到 l . 8

门要求来建立。例如：对于因工作特点极易导致疲劳损坏的弹簧，应以疲劳安全系数最大作为优化设计的目标：当价格成为主要问题时，可以弹簧成本最小为优化目标等等。本文以质量最轻为设计日标。在5≤仅。 。≤9,目标函数可以简化为:

( )强度要求 2在实际应用中，一般压缩弹簧的螺旋角较小<9),在弹簧只受轴向载荷作用时，可以将剪切。应力的公式简化为：8 FD: ,

:: 4

±2 2

一

7 t d

24优化方法实现 .

其中：, K为曲度系数，K: ,!

+ 三，当C

以A YS NS为底层技术支持，立变刚度螺旋弹建簧的优化平台。此平台由输入、执行和后处理三部分构成。

4C一 4

F为弹簧所受到的最大轴向载荷时即可求得最大值剪应力。 ( )刚度要求：螺旋角较小 (c。 3 o<9 )时弹簧单圈刚度可以简化成

() 1输入部分。对本文中提到的变节距螺旋弹簧，它所涉及的参数除包括设计变量外，还有一些弹簧设计时所用的一些已知条件。通过几何参数输

辽宁X J大学学报 ( .k,自然科学版)

第2 9卷

入对话框和材料属性输入对话框两个对话框实现对参数的输入。几何参数输入对话框如图2示，所

口的输入信息对应地连接到状态变量等约束条件及目标函数上，并通过优化程序自动优化计算，皆

材料属性输入对话框如图3示，图中各参数解释所如下。

由A Ys NS系统 …… 此处隐藏：5061字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……