卵形鋼絲氣門彈簧多目標優化設計

歐學昊，代盼盼

卵形鋼絲氣門彈簧多目標優化設計

歐學昊1，代盼盼2

（1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.遼寧工業大學 經濟管理學院，遼寧 錦州 121001）

氣門彈簧廣泛應用以卵形鋼絲為截面的彈簧。以最大切應力最小和質量最輕作為設計目標，采用NSGA-II算法基于MATLAB對卵形鋼絲氣門彈簧進行多目標優化設計。針對一實例的優化結果表明，可以準確快速得到可靠的Pareto最優解集，該優化設計方法可以為卵形鋼絲氣門彈簧設計提供參考。

卵形鋼絲；氣門彈簧；NSGA-II；多目標優化設計

引言

采用圓鋼絲截面的氣門彈簧生產工藝和加工要求比較簡單，但是圓鋼絲截面螺旋彈簧在彈簧內側容易產生疲勞裂紋源，從而引起疲勞斷裂[1]。Fuchs教授提出了卵形截面的螺旋彈簧[2]，卵形截面彈簧較圓形截面彈簧擁有更平緩的切應力分布和蓄存能量大等優點，其在氣門彈簧等高應力工況中廣泛應用。然而卵形鋼絲螺旋彈簧的設計等還沒有相關的標準。本文對卵形鋼絲螺旋彈簧進行優化設計，基于MATLAB采用NSGA-II算法對實例彈簧進行優化設計分析。

1 卵形鋼絲螺旋彈簧計算理論

Fuchs卵形截面（以下簡稱卵形截面）結構如圖1所示。卵形截面由一個半圓和一個橢圓組成，為半圓圓心；1為截面形心；分別為半橢圓的長半軸和短半軸；、分別為以為極點的極軸和極角；為彈簧的中徑；1為彈簧的外徑；為彈簧所受軸向載荷。

令形心1距原點距離為0，根據形心計算公式，可得：

1.1 彈簧剛度計算

由極慣性矩及平行移軸計算公式，可得卵形截面對形心1的極慣性矩為：

則不考慮變截距的情況下，彈簧剛度為：

1.2 彈簧最大切應力計算

卵形截面螺旋彈簧的最大切應力τ為[3]：

（4）

2 卵形截面氣門彈簧多目標優化設計

2.1 確定目標函數

以彈簧的最大切應力最小為第一設計目標，即：

以彈簧的質量最小為第二設計目標，即：

式中，為彈簧材料密度，kg/立方米。

2.2 選取設計變量

根據目標函數中的主要設計參數，選取簧絲截面的參數與彈簧中徑有效圈數作為設計變量，即：

2.3 建立約束條件

約束條件一般分為性能約束和邊界約束。性能約束一般包含剛度約束、強度約束、穩定性約束、防共振約束等等；邊界約束一般包含簧絲參數約束、旋繞比約束、安裝空間對外徑的約束等等。針對氣門彈簧所處工況，建立以下約束條件：

1）剛度約束

這里以等截距彈簧為例，令氣門完全開啟時負載為F；氣門關閉時負載為F；彈簧的工作行程為△，則彈簧期望剛度：

彈簧的實際剛度應接近該期望剛度k，令剛度誤差允許值為K，則：

將式（3）代入式（9），可得彈簧剛度約束為：

2）強度約束

在彈簧達到最大受力載荷即氣門開啟負載F時，此時最大切應力τ應小于材料的許用應力[]：

由式（4），可得彈簧強度約束為：

3）穩定性約束

對于螺旋壓縮彈簧，若長細比較大，當軸向載荷較大時，彈簧易失穩，向側向彎曲，從而彈簧失效。所以為了避免失穩現象，彈簧長細比b應有大小限制：

式中，I、I1分別為截面對、1軸的慣性矩；為截距，這里取=0.35；長度系數與彈簧支撐方式有關。彈簧兩端均為回轉支承，=1；彈簧一端固定支撐一端回轉支承，=0.7；彈簧兩端均為固定支撐，=0.5。

則穩定性約束為：

4）防共振約束

針對承受高速交變載荷的彈簧，為了避免彈簧共振，彈簧的自然振動頻率f應不小于工作頻率f的10倍[4]：

將式（3）、式（6）代入式（14），可得共振性約束為：

5）彈簧邊界約束

彈簧旋繞比過大或過小會影響剛度和繞簧難易程度，所以應限制在合適區間：

彈簧安裝位置對彈簧外徑1有限制：

則邊界約束為：

3 優化設計實現及實例

3.1 優化方法

多目標優化問題并不像單目標優化問題一樣，存在一個滿足目標函數的最優解，而是存在可接受的非劣解集，即Pareto最優解集[5]。

帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法（NSGA-II）是以基本遺傳算法為基礎的多目標遺傳算法，精英策略是在算法的迭代過程中，從上一代保留優秀的潛在解至下一代的過程，可以改進多目標遺傳算法的計算效率[6]。下文基于MAT -LAB采用NSGA-II算法對實例卵形鋼絲氣門彈簧進行多目標優化設計。

3.2 實例分析

應用該優化方法對某氣門彈簧進行優化。彈簧安裝載荷F=192N；氣門完全開啟載荷F=514N；工作行程△=14.2 mm；剛度誤差允許值K取期望強度的1%；安裝空間限制外徑最大1max=0.03m；長細比的許用值[b]=5.3；工作頻率f=30Hz；彈簧材料為OTEVA75SC，剪切模量=79.5GPa；彈性模量=206GPa；密度=7900kg/立方米；許用切應力與材料線徑和抗拉強度有關，這里根據線徑大致范圍通過查表取抗拉強度R=1950MPa，取[]=1300MPa。

將以上初始條件代入優化模型通過NSGA-II算法進行優化，設置最優個體系數0.3；種群大小100；最大進化迭代300；終止代數200；適應度函數偏差e-10。最終得到Pareto最優解集如圖2所示。

圖2 Pareto最優解集

由于設置最優個體系數0.3和100的種群大小，所以得到了30個散點，即Pareto最優解，其對應著各自的優化變量。各Pareto解無優劣之分，根據經驗或目標函數的權重去自行選擇。

4 結論

本文探討了卵形截面氣門彈簧的多目標優化設計方法。以最大切應力最小和質量最輕為優化目標，綜合強度、剛度、穩定性、防共振等性能約束和一些邊界約束，對彈簧主要參數進行優化設計。一氣門彈簧優化實例結果表明可以得到較好分布的Pareto最優解，能夠對卵形截面氣門彈簧優化設計提供參考。

[1] 邢獻強.氣門簧用OT鋼絲的現狀及發展趨勢[J].金屬制品,2008 (02):7-10.

[2] Chironis NP.Ovate cross section make better coil spring[J].Product Eng 1969,27:86.

[3] 舒榮福.非圓形截面鋼絲圓柱螺旋壓縮彈簧設計計算方法的探討[J].機械工業標準化與質量,2008(10):21-25.

[4] 張英會,劉輝航,王德成.彈簧手冊[M].北京:機械工業出版社,1997: 241.

[5] 王紅,姚凱,劉萬選.基于NSGA-II遺傳算法的高速動車組軸箱彈簧可靠性穩健設計[J].鐵道學報,2015,37(06):36-40.

[6] 王洪建.基于NSGA-II的變速器齒輪系多目標可靠性優化設計[D].武漢理工大學,2010.

Multi-objective Optimum Design of Volve Spring with Oval Steel Wire

Ou Xuehao1, Dai Panpan2

（1.School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Shandong Zibo 255049; 2.School of Economics and Management, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

Valve spring is widely used as the spring with oval steel wire. The minimum of maximum shear stress and the lightest mass are taken as the design objectives, based on MATLAB, the NSGA-II algorithm is used for multi-objective optimization design of valve spring with oval steel wire. The optimization results show that the reliable Pareto optimal solution set can be obtained accurately and quickly, The optimization design method can provide reference for the design of volve spring with oval steel wire.

Oval steel wire; Volve spring; NSGA-II; Multi-objective optimum design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.020

TH135+.1

A

1671-7988(2021)03-68-03

TH135+.1

A

1671-7988(2021)03-68-03

歐學昊（1996-），男，山東理工大學交通與車輛工程學院碩士研究生，主要研究方向為車輛系統動力學。