【毕业设计】发动机气门弹簧结构分析与参数优化

在定条件下，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，这点比常用的差分法更为优越。

在满足定条件下，单元越小结点越多，有限元数值解的精度也就越高。

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，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。

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，而为进步进行仿真，得到直观的效果。

而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。

优化设计在工程实践中，追求设计结果的最优化，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些优化策略与方法，而后到了世纪的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种易于实施的最优设计手段，以便在解决些复杂的问题时，能从众多的设计方案中找出尽可能的设计方案。

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个最优方案很不容易。

随着工程技术发展的迫切需要和电子计算机的出现与飞速发展，推动设计方法产生重大的变革。

机械优化设计作为种新的设计方法在年代迅速发展起来。

这种新的优化设计方法建立在近代数学规划论和计算机程序设计的基础上，能使项设计在。

定的技术和物质条件下寻求个技术经济指标最佳的设计方案。

其寻找最优设计方案的过程是在建立员优化的数学模型确定最优化方法并编制计算程序以后，在电子计算机上自动地进行逐步逼近和取得最优方案的。

机械优化设计愈来众多地应用于产品的设计中，如零部件的优化设计机构的优化设计工艺设备基本参数的优化设计分系统的优化设计等，都取得了较明显的技术和经济效果。

许多机构进行优化设计显著改善动力学性能提高运动精度机械结构设计应用优化设计方法较传统设计方法般可节省材料。

但是它在对内燃机典型零件气门弹簧的最优化设计中，般都是对其进行以质量最轻作为目标函数的单目标优化设计，而内燃机是在变化工况下工作的，作用在气门弹簧上的力也在不断变化，所以单目标优化设计不能很好地反映弹簧的实际受载情况另方面，优化结果只是以数字的形式表现出来，而没有对结果进行进步的模拟仿真，以检验数据的有效性与合理性。

因而其设计结果具有定的局限性，并不是真正意义上的最优方案。

另外，在建立数学模型的约束条件时，未能全面的考虑到弹簧的使用条件，致使约束条件不完备。

本文的主要研究内容气门弹簧的形式有等节距单气门弹簧等节距双气门弹簧变节距单气门弹簧变节距双气门弹簧，这里只考虑等节距单气门弹簧的优化设计。

本文的主要研究内容有以下几点分析弹簧的结构参数，得出弹簧设计的计算公式分别基于实体单元与梁单元进行弹簧的建模，并对其进行强度刚度的分析，比较两者的优劣讨论节距对弹簧强度刚度的影响及程度④对弹簧的参数进行优化设计，建立数学模型，对比优出版社邱宣怀主编机械设计，第四版北京高等教育出版社，陈家瑞汽车构造上册，第二版北京机械工业出版社，陈立周机械优化设计方法，第三版北京冶金工业出版社，刑文训，谢金星编著现代优化计算方法北京清华大学出版社，秦襄培图像处理与界面编程北京电子工业出版社，张德丰数值分析与应用，第二版北京国防工业出版社秦宇基础与实例教程北京化学工业出版社，李红云，赵社戌，孙雁基础及工程应用北京机械工业出版社，李兵，何正嘉，陈雪峰设计仿真与优化北京化学工业出版社，尚晓江，邱峰，赵海峰结构有限元高级分析方法与范例应用北京中国水利水电出版社，同济大学应用数学系高等数学北京高等教育出版社，曹阳，姜耀华，王静柴油机气门弹簧的优化设计煤矿机械，第卷第期袁兆成，李传友车用发动机气门弹簧的优化设计方法兵工学报胡修池，郑兰霞发动机气门弹簧的优化设计公路与汽运莫才颂基于多目标的内燃机气门弹簧优化设计分析茂名学院学报，莫才颂，王岗罡内燃机气门弹簧多目标优化设计煤矿机械龚庆寿，夏平钢柴油机气门弹簧的优化设计湖南工程学院学报肖启敏，范春风基于的圆柱螺旋弹簧的优化设计机电产品开发与创新钱久娟，姜贵尧气门弹簧的简便优化设计现代机械第三期附录弹簧常用符号和单位旋绕比弹簧中径弹簧内径弹簧外径弹性模量弹簧的载荷弹簧刚度弹簧的自由高度切变模量曲度系数弹簧的总圈数弹簧的有效圈数安全系数螺旋角度泊松比弹簧的自振频率质量目标函数高度目标函数总目标函数约束条件，界面回调函查看函数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，利用理想点法统目标函数，并给出了设计实例。

算例结果表明该方法具有工程实用价值并通过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，目录摘要目录第章绪论课题的背景和意义国内外研究现状本文的主要研究内容第二章圆柱螺旋弹簧设计计算方法圆柱螺旋弹簧的几何参数圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性与自振频率圆柱螺旋压缩弹簧的结构与设计计算本章小结第三章基于有限元的圆柱螺旋弹簧分析基于实体单元的圆柱螺旋弹簧的分析基于梁单元的圆柱螺旋弹簧的分析本章小结第四章节距对圆柱弹簧刚度强度计算结果的影响螺旋角对圆柱弹簧刚度计算结果的影响变节距弹簧刚度强度计算结果的影响本章小结第五章气门弹簧的参数优化方法研究及可视化界面开发优化设计建立优化设计的数学模型基于可视化界面的开发本章小结第六章总结与展望总结展望参考文献附录致谢，第章绪论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定参考价值。

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有限元法是世纪年代随电子计算机的广泛应用而发展起来的种数值方法。

具有很强的通用性和灵活性。

早在世纪年代初，欧拉等人就提出了有限元法的基本思想，但直没有引起人们的足够重视。

直到世纪年代中期，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起便可提供整体结构的力学特性。

这种处理问题的思路在年被广泛用于求解