[发明专利]弹簧的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹簧的优化设计，特别是涉及一种用于集装罐安全阀中的弹簧的优化设计方法。

背景技术

安全阀被广泛的应用到各种锅炉、管道、容器等设备上，其主要用以保证其在设定压力范围内安全稳定的工作。因此安全阀在整个系统中起着至关重要的作用。安全阀工作状态的稳定与否直接影响到整个系统的运行安全。

在安全阀事故中，安全阀弹簧失效是一项重要原因。因此，在安全阀的设计过程中，弹簧的设计是至关重要的一个环节。而随着更多的高强度材料被应用于弹簧设计，弹簧螺旋升角变大，弹簧圈数减少以更好的利用材料性能。

目前，弹簧设计中广泛应用应力补偿系数法。由于应力补偿系数法的理论是基于弹簧螺旋升角为0，因此其不能非常准确的描述出弹簧内部的实际应力状态。

从20世纪90年代起，有限元模型更加广泛的被应用于弹簧设计当中，用以提供更加准确的应力分析。但弹簧设计方法并没有明显变化。在弹簧设计过程中，首先是根据以往经验假定一个弹簧丝径，再根据其他设定条件进行验证，进而通过应力补偿公式计算或者有限元模型分析来查验此弹簧是否满足要求。如满足则采用此丝径，否则设计人员根据经验和假定丝径粗细算出需要丝径，再次验算。

上述这种设计方依赖于设计人员的经验，不同的设计人员即便是设计相同要求的弹簧，也会出现不同的设计方案。而且此方法不便进行优化设计，得到的弹簧通常体积较大，并不适用于集装罐安全阀弹簧设计要求。基于集装罐属于移动容器，其外部工作环境随时变化且多样复杂，而且集装罐尺寸和总重量被严格限制，小型化、轻量化的安全阀才能广泛应用在集装罐上。因此，需要一种能够快速选取弹簧基本参数，进而在阀门设计初期对弹簧进行优化设计的设计方法，从而得到轻巧的弹簧设计方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术弹簧设计方法不便于进行优化设计、得到的弹簧体积较大、精确度低的缺陷，提供一种弹簧的优化设计方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种弹簧的优化设计方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S₁、根据弹簧应用设定初始的基本参数，并针对所述基本参数建立可变参数化有限元模型；

S₂、根据所述有限元模型对弹簧内圈剪切应力进行分析，得到最大剪切应力值，并与理论计算值比较，以验证所述有限元模型的设定正确性；

S₃、基于所述有限元模型，建立实验设计模型，并采用V-optimal方法对所述可变参数选取若干个输入点生成一输入矩阵，得到所述输入矩阵的不同数组对应的最大剪切应力值；

S₄、根据所述实验设计模型的数组及所述数组对应的所述最大剪切应力值进行三阶多项式拟合，推导出与所述实验设计模型相关的回归模型；

S₅、针对所述回归模型进行多项目优化设计，并根据弹簧刚度计算经验公式确定弹簧优化尺寸。

较佳地，所述基本参数包括第一工作长度、第二工作长度和工作受力。

其中，所述第一工作长度是指安全阀在预定压力下，弹簧安装时的初始长度；所述第二工作长度是指安全阀达到额定压力时，弹簧终止移动点处的长度；所述工作受力是指弹簧在所述第一工作长度、第二工作长度下所受到的压力值。

较佳地，所述可变参数包括弹簧中径、弹簧丝径和弹簧节距。

其中，所述可变参数可以根据实际需要选择不同的弹簧参数。此处选用了弹簧中径、弹簧丝径和弹簧节距作为可变参数，有利于高效、准确地检测剪切应力的变化。

较佳地，弹簧中径的取值范围为50mm-60mm，弹簧丝径的取值范围为8mm-9mm，弹簧节距的取值范围为18mm-22mm。

基于标准及通常设计过程中5°≤α≤9°，5≤c≤8(α为弹簧升角，c为旋绕比)，以及弹簧所需刚度要求等因素。对弹簧中径、弹簧丝径和弹簧节距的取值范围进行设定，使得取值更加集中。

较佳地，所述步骤S₃中所述输入点是对每个所述可变参数分别选取10个值。

其中，所述输入点的个数为不限定的，理论上所述输入点的个数越多，得到的输出值也越多，拟合越好，即精准度越高。此处，因考虑到实际实验次数及可操作性对对每个所述可变参数分别选取10个值。

较佳地，所述步骤S₄和所述步骤S₅之间还包括：采用方差分析方法对所述回归模型进行分析验证。