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1、摘 要摘 要气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分，它可保证气门关闭时,依靠弹力使气门与阀座保持闭合密封。而气门弹簧受强度、刚度、稳定性等约束条件较多，使其尺寸也受到限制,导致其应力状态严重。因此，对气门弹簧进行结构分析与其参数的优化就变的尤为重要。本文分析了弹簧的结构参数，得出设计公式。然后基于实体建模进行分析，得到变形量与应力分布图。再基于梁单元对弹簧进行分析，并于设计公式得到的结果进行比较。最后，通过分析内燃机气门弹簧优化设计的设计变量、目标函数和约束条件,建立起以内燃机气门弹簧的质量、高度为目标函数的多目标优化设计数学模型,利用理想点法统一目标函数，并给出了设计实例。算例结果
2、表明该方法具有工程实用价值；并通过MATLAB提供的可视化界面设计，设计出了可视化界面程序。本文对弹簧进行了有限元分析得出变形量与应力分布图。而对弹簧的优化设计方法，能够准确优化出弹簧的参数，能缩短气门弹簧优化的时间，具有实用价值。关键词：气门弹簧，多目标，优化设计，可视化界面，有限元IAbstractAbstractValve spring is an important part of the valve mechanism. It can ensure that valve is closed .There are more sectors that restrict the valve
3、 spring such as the strength, stiffness, stability constraints, leading to severe stress. Therefore, structural analysis of the valve spring and its optimization parameters is particularly important.Starting from the structure of spring in this paper, then we can get the formula of spring. Then, bas
4、ed on the spring beam element analysis, we can get the figure of deformation and stress distribution. Further analysis based on real modeling and was designed to compare the results of the formula. Finally, through analysis the designing variables, target functions and related constraints of valve s
5、pring in Internal Combustion Engines, it set up the optimum design math model of multi-objective. The optimum design multiple of multi-objective was explore. The designing example was offered, the result showed that method is the more engineering practical. MATLAB provides GUI, we can design of the
6、program of visual interface.This method of optimization, can accurately optimize the parameters of the spring. We can shorten the optimization time and it has practical value.Keywords: valve spring; multi-objective ; optimal design; visual interface ;finite elementII目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论1
7、1.1 课题的背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 本文的主要研究内容4第二章 圆柱螺旋弹簧设计计算方法52.1圆柱螺旋弹簧的几何参数52.2圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性与自振频率62.3圆柱螺旋压缩弹簧的结构与设计计算72.4本章小结9第三章 基于有限元的圆柱螺旋弹簧分析103.1基于实体单元的圆柱螺旋弹簧的分析103.2 基于梁单元的圆柱螺旋弹簧的分析153.3本章小结20第四章 节距对圆柱弹簧刚度强度计算结果的影响214.1螺旋角对圆柱弹簧刚度计算结果的影响214.2变节距弹簧刚度强度计算结果的影响224.3本章小结25第五章 气门弹簧的参数优化方法研究及可视化界面开发265.1优化设
8、计265.2建立优化设计的数学模型275.3基于MATLAB可视化界面的开发315.4本章小结37第六章 总结与展望396.1总结396.2 展望39参考文献40A.附 录41致 谢44第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题的背景和意义气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分。它的作用是:在气门关闭时,依靠弹力使气门与阀座保持闭合密封;在气门启闭过程中,使气门及其驱动机构不脱离凸轮的控制并随之运动。气门弹簧在工作时承受周期性交变载荷,还必须克服机构在高速运转时可能产生的振动所引起的附加载荷。此外,由于气缸盖本身尺寸的限制,气门弹簧的尺寸也受到限制,导致其应力状态严重。在发动机运转中，气门
9、弹簧不仅用来保证气门在需要关闭时关闭，更重要的是在整个配气过程中，能保证气门按照配气凸轮轮廓形状确定的运动规律运动。为了防止挺杆(或摇臂)瞬时离开凸轮型面的发生，即确保气门的密封性能，气门弹簧应拥有足够的刚度，使其压紧力始终大于配气机构产生脱离趋势的惯性力。但若弹簧刚度过大，则气门运动过程中相关零部件需克服的弹簧力也相应变大，这就要求增加受力零部件的强度及耐磨性。所选的弹簧刚度适当，则有利于减少气门运动产生的噪声、震动和磨损。另外为满足发动机长久地高速运转，气门弹簧还要具有优良的抗疲劳性能等。最优化设计理论作为解决最优化问题的一种数值方法,自建立以来,在工业研究和设计领域获得了广泛的发展,在内
10、燃机的研究和设计中也得到了很好的应用。该课题采用多目标优化设计理论对气门弹簧进行设计,说明了最优化理论在内燃机等机械设计中的应用，并且采用最优化设计的方法,建立约束条件，对气门弹簧的尺寸进行选定，最后通过分析软件ANSYS分析其应力状态与变形，得到的结果应具有重量轻、体积小、防共振性能好的特点,降低了生产成本, 提高了产品竞争力,而且减轻了内燃机的轴承负荷和振动等,对内燃机其他机械零件的研究和设计有一定参考价值。1.2 国内外研究现状有限元分析：目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的。若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧，随着设计应力的提高，以往的很多经验
11、不再适用。为此，必须采用弹簧精密的解析技术，当前应用较为广泛的方法是有限元法（FEM）有限元法是20世纪60年代随电子计算机的广泛应用而发展起来的一种数值方法。具有很强的通用性和灵活性。早在20世纪40年代初，欧拉等人就提出了有限元法的基本思想，但一直没有引起人们的足够重视。直到20世纪50年代中期，才开始有人利用这种思想对航空工程中的飞机结构进行矩阵分析；其分析思路是：将整个结构看作由有限力学小单元相互连接而形成的集合体，每个单元的力学特性组合在一起便可提供整体结构的力学特性。这种处理问题的思路在1960年被广泛用于求解弹性力学的平面应力问题，并开始使用“有限单元法”这术语。之后，随着电子计
12、算机的飞速发展，有限单元法如虎添冀，经过40多年的发展，目前国内外已有许多大型通用的有限死分析程序可供使用，如ANSYS、ADINA等。现在许多大型有限元分析软件都已配备了功能很强的前后置处理程序，并已出现了将人工智能技术引入有限元分析软件，形成了比较完善的专家系统，起步实现了有限元分析的智能化。在一定条件下，内单元集合成的组合结构能近似于真实结构，因此分区域插值求解也就能趋近其真实解。这种求解方法及其所满足的条件，就是有限元方法所要研究的内容。有限元法可适应于任何复杂的几何区域，便于处理不同的边界条件，这一点比常用的差分法更为优越。在满足一定条件下，单元越小、结点越多，有限元数值解的精度也就
13、越高。有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限单元所组成的组合体，这一过程简称为离散化。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的连接除了结点之外再无任何关联。但是这种连接要满足变形协调条件，既不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理
14、论中的变分原理或其他方法，建立结点力与结点位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的位移场面数。显然，如果单元满足问题收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。几十年来，有限元法已在各个工程领域得到了广泛的应用，相应的大型软件已成为现代工程设计中一个重要的不可缺少的计算工具。特别是近年来，由于计算机辅助设计在工程设计中日益广泛的应用，有限元程序包亦己成为常用计算方法库中不可缺少的重要内容之一，并且与优化设计技术结合，形成了大规模的集成系统。工程设计
15、人员使用这些系统，就可以高效而正确合理地确定最佳设计方案9。30多年来，有限元分析以它的高的计算精度、广阔的计算能力、简单的应用方低的计算成本，成功地为各工程结构强度问题提供极为优秀的成果而深受工程界的欢迎。而在国内外对于弹簧的优化设计还停留在只是对参数的优化，而为进一步进行仿真，得到直观的效果。而ANSYS中可以根据实际使用情况加入约束，对强度、刚度方面进行查看与优化。弹簧有限元分析方法，在弹簧技术水平较高的国家虽已进入实用化，我国虽有这方面的技术开发，但尚未形成实用模型1。优化设计：在工程实践中，追求设计结果的最优化，一直是设计师们不懈努力、奋斗不止的理想与目标，并在长期的设计实践中，产生
16、了诸如进化优化、直觉优化、试验探索优化、图解和数学分析优化等一些优化策略与方法，而后到了20世纪的70年代初期又在最优化技术和计算机技术的发展的基础上逐渐形成与发展了优化设计，为工程设计人员提供了一种易于实施的最优设计手段，以便在解决一些复杂的问题时，能从众多的设计方案中找出尽可能的设计方案5。关于最优化的概念在机械设计中其实早已存在。设计人员总是力图使自己的设计能得到结构最紧凑、用料最省、成本最低、工作性能最好，即技术经济指标最佳的结果。传统的设计方法往往是由设计人员做出几个候选方案，从中择其最优者。这种传统的设计方法由于时间和费用的关系、所能提供的方案数目非常有限，真正最优的方案常不在提供的这些候选方案之中；因而要想取得
