文档介绍：可拆卸手柄弹簧基于 MATLAB 的优化设计摘要: 本文介绍了可拆卸手柄弹簧的优化设计, 通过弹簧的设计方式提出圆柱螺旋弹簧优化的数学模型, 该模型通过 MATLAB 优化工具得以解决, 并且提供了最优方案。运行结果表明了该方法的可行性。优化设计方法和 MLTLAB 软件的使用有助于提高设计精度和效率。关键词——圆柱螺旋弹簧; MATLAB ;优化设计;数学模型一、简介弹簧是机床中一个重要的机械零件, 它被用于能量吸收, 缓解冲击, 隔离振动, 提供弹性特征。它可以在很多工业产品中被发现, 其性能直接影响产品的质量, 尤其是可靠性方面。在本文中, 主要设计的是用于索道的可拆卸手柄中的弹簧, 可拆卸手柄的安全性和可靠性对于人们的生命财产安全显然是非常重要的, 对于可拆卸手柄中的弹簧, 可靠性相对于能量来源来说显得更为重要。弹簧必须具有足够的强度, 刚度, 更长的寿命, 并且结构应该是紧凑的, 也就是说质量要够轻。设计弹簧的传统方式过于复杂和低效率, 这种方式经常通过一个实验或者错误的做法得出一个结论, 并且往往是基于设计者的经验来选择主要尺寸参数进行校核, 而该程序通过运算多次得到一个满足强度和刚度需要的可行的结论, 尽管如此, 它可能还不是最优设计。作为应用程序的优化设计和计算机技术的发展, 优化设计方法被广泛应用于机械工程的结构设计, 强度, 全寿命分析, 材料选择, 故障分析等方面, 它提高了设计效率和质量。机械零件优化设计通常将结构参数作为设计变量和功能参数的设计约束, 优化设计的目标通常是低成本, 轻质量, 小体积和长寿命等, 弹簧的性能要求一般是强度, 刚度和最大变形等, 其结构参数为线径和有效线圈等, 许多参数和约束将被引入该设计中。对于机械来说, 一个重要的部分就是安装的空间是有限的, 所以在本文中, 体积最小将作为优化设计的最终目标。优化设计的约束条件和非线性函数已被制定, 并且优化设计的方法可以提高设计精度和效率, 因此本文将通过建立圆柱螺旋弹簧的数学模型以及 MALLAB 程序的运用来解决数学模型的计算问题。二、最佳数学模型弹簧是可拆卸手柄的重要部分,它显示在图一中图一. 可拆卸手柄弹簧在该机构上的安装如图一所示,弹簧推动夹紧钢丝绳的外颚并且固定在内额上,当钢丝绳松弛时, 该机构移动固定端并且外颚通过弹簧的收缩回到主体端, 弹簧提供力保持夹紧机构和钢丝绳的稳定性。可拆卸手柄弹簧的基本参数如下: 材料: 70Si2MnA 最大工作载荷: F max = 5KN 弹簧刚度: k≥ 40N/mm 安装长度: H 0= 300mm 根据弹簧设计原则建立圆柱螺旋弹簧的数学模型。 A. 设计变量确定的主要是参数是基于设计中除去材料外, 满足弹簧的机械行为和几何特性, 这些参数主要包括弹簧线径, 弹簧平均直径和有效线圈等。本文以最小体积为优化目标, 并最终选择弹簧线径,平均直径和有效线圈等参数作为设计变量。本文中为了便于 MATLAB 软件的计算,X 用以代替某些参数, 在公式中, 弹簧的数学关系用矩阵 X 表示,即 X=[ x1 ,x2 ,x3 ]T ,x1 ,x2 ,x3 相应的表示 d,n,D, 在图二中有明显的表示。图二. 弹簧结构用矩阵表达如下: X=[x 1 ,x2 ,x3 ]T =[d,n,D] T 符号含义:d 弹簧线径 mm