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扭杆弹簧计算与优化.pdf

扭杆弹簧计算与优化

pd911
2013-03-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《扭杆弹簧计算与优化pdf》,可适用于工程科技领域

机械工程师动导轨和滚珠丝杠的高速精密伺服进给工作台的圆运动摩擦爬行误差现象得出下列结论:(!)伺服进给系统数学模型中采用了“二维混合摩擦”的摩擦模型。由滚珠丝杠、滚动导轨中的摩擦引起的轮廓误差大小是能够比较精确地预测的。(")爬行阶段的细小位移轨迹和速度微小变化特征曲线可以用#$$’仿真模拟和在()!*球杆仪上实际测得。()利用本文提出的考虑摩擦影响的伺服进给系统数学模型可以方便地进行分析和研究工作台刚度、质量、阻尼等动力学参数对系统特性的影响。(,)通过精确的数学模型可以实现))机床伺服进给系统的摩擦误差离线预测、控制器以及摩擦误差补偿器的设计。[参考文献][!]#:<=>:ABC:DEBB:B:BFGHI=FGBC:DJK[L]DBD:DKL:<BDK:#CD::KD=D<C<B"**!!,!M!*NO!,*PH!,!P["]<DGE$DQBRD=:S<T#:QUK:C>ABC:D):ID:DD=A=:BQB=:K<:D’=:DVIW):DB:K[L]$#EL:BDK:>DC>#<BDD=):DB:K!XX!!PM"NO"YXZ",[]施阳等#$$’语言精要及动态仿真工具#[#]西安:西北工业出版社!XX[,]陈康宁等机械工程控制基础[#]西安:西安交通大学出版社!XXY[P]梅雪松等高速、高精度数控伺服工作台摩擦误差的研究[L]机械工程学报"**!MN(编辑毕胜)作者简介:王文深(!X^XH)男在读硕士讲师。收稿日期:"**H*H!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!扭!!!!!!!!!!!!!!杆!!!!!!!!!!!!!!弹!!!!!!!!!!!!!!簧!!!!!!!!!!!!!!计!!!!!!!!!!!!!!算!!!!!!!!!!!!!!与!!!!!!!!!!!!!!优!!!!!!!!!!!!!!化韩宝坤黄华殷兆辉(北京理工大学机械与车辆工程学院北京!***!)摘要:扭杆弹簧是车辆悬架装置中常用的弹性元件。文中利用有限元方法对扭杆弹簧进行了建模和优化计算给出了扭杆弹簧的优化参数和结构应力分布规律并对优化结果进行了实验测试与比较。分析结果表明扭杆弹簧过渡区的结构对其应力分布具有较大影响通过优化设计改进扭杆弹簧结构有利于提高其性能。关键词:扭杆弹簧有限元方法优化设计中图分类号:X!X文献标识码:$文章编号:!**"H"("**)*H**^,H*!"#$’()*$,,#$’*$’’:’<=:>’$MC::K:#CDCKUCKEDGDBDG’‘DGD<:CD:K:G>’‘DG!***!)DN#’AB:B:DJBIBDG:D<=DWCK<ID:D$D:IS:D:=K::B:DJBIBDGJ<K<ID=:I<C:I<:DCBB=:<AE#:I<IBBD=B=BJ<:D::Ba:DJBIBDGBGWD:<D=:I<B<KBC:IB=DIIBDK>CKB<KDa=CDBGB=:D::B:DJBIBDGIK>DI:BDB:K:DB=BJ<:DAE#DCW:=D=GD::B:DJBIBDGD=WK<JKDIB:WDGIB:IBC"DE(#B:B:DJBIBDGbDKD:=b:I<=GDF引言扭杆悬架装置成功应用于坦克等军用车辆和汽车等民用车辆中已经有!"多年的历史。它具有结构简单、工作可靠、使用寿命长、重量轻、占用空间小等优点。在组成扭杆悬架的所有零件中扭杆弹簧是保证悬^,!""#$基金项目:兵器预研支撑基金资助项目(#$"’"")!!!!!!!!!!!!!!!!机械工程师架装置具有优良性能的关键部件。扭杆弹簧按其断面形状可以分为圆形断面、空心圆形断面、矩形断面及组合式断面等[!]。圆形断面的扭杆弹簧由于结构简单、制造方便而得到广泛应用。在扭杆弹簧的设计中传统的方法是采用等效简化的计算方法把过渡部分的扭转变形折算成等效直杆的扭转变形按照直杆扭转变形来计算。这种方法对过渡部分的应力集中这一关键问题难以考虑周全。随着计算机技术和有限元方法的发展扭杆弹簧的设计和优化问题借助于有限元方法可以大大提高设计精度。本文针对车辆中广泛使用的圆形断面扭杆弹簧进行了计算并利用"#$$软件中的节点轴对称协调单元’("#)*对其进行了优化。分析结果表明扭杆弹簧过渡区的结构对其应力分布具有较大影响通过优化设计改进扭杆弹簧结构有利于提高其性能。!扭杆弹簧计算与优化!"#结构与计算圆断面扭杆弹簧结构分为三部分即:工作直杆部分、过渡部分和两端连接部分。承载体的应力集中一般都发生在几何不连续的区域。对于扭杆弹簧来说工作直杆和两端连接部分之间的过渡区和表面缺陷都会引起应力集中。对于表面缺陷要通过提高加工工艺来弥补而过渡区则需要设计合适的过渡形式以及设计参数来减小应力集中。扭杆弹簧的过渡形式一般采用两种方式一种是锥形过渡形式如图所示(以下简称结构!)另一种是圆弧过渡形式如图,所示(以下简称结构,)。传统的设计方法对结构!!!!$对结构,$用下式计算:$,!()式中:为工件直杆部分直径"为两端连接部分直径为过渡段的长度。最大剪应力为:"#$’’(’"(’’#)(*)式中:’’为扭矩(’为扭转截面系数对圆截面(’#)"(!"!优化方法选择优化设计是一种寻求最优设计方案的技术。,程序提供了两种优化的方法零阶方法是使用所有状态变量通过随机搜索建立状态变量和目标函数的逼近一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度因此更加适合于精确的优化分析本文使用一阶优化方法。!")优化变量、状态变量及目标函数文中优化的目的是寻求最优的过渡形式和过渡参数对结构"而言就是寻求最优的过渡圆锥角!和圆角半径$对结构*而言就是寻求最优的过渡半径$。不同的设计变量初值对优化过程有很大的影响一般将经验设计的参数作为初值因此对于结构"将$!"!作为第一种结构优化的优化变量初值对于第二种结构将$"作为优化变量初值。状态变量是设计变量的函数用来约束设计变量的数值是优化设计过程中的限制条件。,软件可以把位移、应力、重量、体积等参数作为状态变量。本文所优化的扭杆在安装使用时对空间体积有严格要求因此选择体积为约束变量规定其上限。目标函数是最终的优化目的在,软件中它是设计变量的函数而且只能求其最小值。在本文的优化设计中优化的目的是尽量减小扭杆弹簧过渡段的最大剪应力因此选择最大剪应力为目标函数。!"*载荷及材料特性扭杆弹簧作为弹性元件工作时承受纯扭转负荷对应力和寿命要求比较高扭杆弹簧承受的最大扭矩为最危险的工况。本文中扭杆弹簧承受的最大扭矩为*"",·#。由于不考虑温度的影响材料系数取为常数其弹性模量""$泊松比$)为各向同性材料并仅限于线弹性。!"单元与网格划分扭杆弹簧计算模型的几何形状、约束条件以及作用的载荷都对称于其中心轴线利用轴对称的特点将(!""#$机械工程师计算与优化结果表结构参数!(!)!!""""#$’(!""""($)’(计算*,优化,,*锥形过渡圆弧过渡其转化为平面问题来求解["]。本文中应用#$中的’节点轴对称协调单元()#$*’该单元的曲面边界能较好地逼近结构的曲面边界单元尺寸选取,至以保证在过渡区域可以进行足够的网格细分。!结果分析与验证"#$结构的优化结果对结构建立的有限元优化模型进行优化计算优化迭代计算进行了’次后收敛利用#$中的结果后处理器对优化结果进行分析绘出最大剪应力随迭代次数的收敛情况见图。"#结构"的优化结果对结构"建立的有限元优化模型进行优化计算优化迭代计算进行了次后收敛绘出最大剪应力随迭代次数的收敛情况见图,。"#"优化结果分析计算结果与优化结果见表。从优化结果可知扭杆弹簧的剪切应力值最大的两处分别在产生应力集中的大头端和小头端的过渡部分处轴线中间应力小边缘应力大横截面上的剪应力沿半径方向逐渐增大。由表中可知在将原有结构按优化结果稍做改进后最大剪应力将有很大提高。结构优化后的最大剪切应力比计算结果减小(结构"优化后的最大剪切应力比计算结果减小,,(。从结构和结构"的比较结果来看结构"更利于减小过渡部分的应力集中现象。在扭杆的长度、两端连接部分的设计尺寸以及边界条件给定时结构"要优于结构。"#实验验证根据优化结果采用同样的工艺加工了三根圆弧过渡扭杆弹簧并进行了实验测试。实验结果表明圆弧过渡扭杆的剪应力均在过渡段与连接段相接处最大其中最大的一根为’’(平均最大剪应力为’’(。原有结构的扭杆最大剪应力为,(。可见优化后的扭杆最大剪应力大大降低性能有了很大的提高。"结论本文针对车辆上常用的扭杆弹簧建立了有限元模型对两种过渡结构的扭杆分别进行了计算与优化并进行了实验验证。结果表明优化后的扭杆更有利于减少过渡部分的应力集中。本文提出的有限元优化设计方法为扭杆弹簧的设计提供了一种有效方法通过优化设计扭杆弹簧的过渡形式可以有效地改善应力分布和提高扭杆性能从而可以更好地设计出综合性能良好的扭杆弹簧这样既缩短了产品的开发周期又降低了研究成本。[参考文献][]王彦才车辆扭杆弹簧设计与制造[]北京:国防工业出版社["]王焕定吴德伦等有限元程序及计算程序[]北京:中国建筑工业出版社[]王国强实用工程数值模拟技术及其在#$上的实践[]西安:西北工业大学出版社"[,]:<=<>:ABC<>D:EFGDHI:JK<HLMGHINHMLHHFIFHMHGDI:KGHHNHHGHG>J[C]CJDLNJKLHIHLM>JKG>HGJNIGGDGHJKIGLGHM>JNJ:OP"QRS"’(编辑毛丽青)作者简介:韩宝坤(B)男博士研究生主要从事车辆工程、振动控制及仿真研究方面的工作。收稿日期:"BB!!!!!!!!!!!""#$

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