[发明专利]一种基于性能要求的变刚度弹簧设计方法

权利要求书

1.一种基于性能要求的变刚度弹簧设计方法，其特征在于，步骤如下：

(1)d＝AR^B时，等螺旋角圆锥弹簧载荷与变形的计算

等螺旋角圆锥弹簧的变形过程：在轴向力的作用下，弹簧线圈压缩变形，线圈之间没有相互重叠，在这一阶段特征曲线为直线，弹簧刚度为常数，当有线圈开始压并时，此时为转折点，当载荷逐渐增大，弹簧特征曲线呈现为渐增型，弹簧刚度逐渐增大；通过对d＝AR^B进行分析得，当0≤B≤0.5时，转折点表现为最下端线圈达到最大变形，弹簧从最下端线圈开始逐渐压并直至最上端，得出弹簧的变形计算式为：

式中：P表示轴向载荷，D₁、D₂表示端部线圈直径，N₀表示有效线圈数，L₀表示弹簧极限变形长度，G表示剪切模量，d表示弹簧丝直径，A、B表示弹簧丝直径的设计参数，D_T表示临界直径：

N₁表示临界线圈数，计算式为

当B＞0.5时，转折点表现为最上端线圈达到最大变形，弹簧从最上端线圈开始逐渐压并直至最下端，得出弹簧的变形计算式为：

弹簧完全压并时为平面所满足的条件为：

R(θ+2π)-R(θ)≥d (3)

式中θ为弹簧线圈的螺旋极角，R表示弹簧线圈的半径且

(2)弹簧参数对弹簧特征曲线的影响

根据式(1)和式(2)，已知参数D₁、D₂，N₀，G,A,B对弹簧变形均有影响，利用控制变量法，进行计算，根据结果知G,N₀不改变弹簧刚度的变化趋势和特征曲线的凹凸性；

随着的增加，线性阶段所占比例逐渐减小，非线性度越好；

参数A有效的提高了弹簧的承载力，但对线性阶段所占比例则没有影响，不改变弹簧特征曲线的凹凸性；

参数B的影响，当0≤B≤0.5时，随着B的增加，特征曲线趋近于一条直线，线性度增加，即线阶段的变形与总变形的比值；当B＝0.5时特征曲线为完全线性，当B＞0.5时，随着B的增加，特曲线的非线性度越好；

(3)特征曲线与目标函数曲线的拟合

1)已知基于性能要求的目标函数满足：

P_m＝f(e) (4)

式中：P_m表示外载荷，e表示工程应变；

弹簧的特征曲线：

P＝g(e) (5)

在0≤e≤0.5的条件下，特征曲线与目标函数曲线的重合度到达最好，判断依据是坐标所有点误差的平均值达到最小：

式中：m表示取点的数目；

2)对参数B进行优化，已知参数D₁、D₂，B都对特征曲线的线性度有影响，D₁、D₂属于弹簧的基本设计参数，在设计时会根据工程需求确定好弹簧的大小，因此弹簧下端部线圈D₂的大小是确定的，在此基础上，先假定D₁是已知的，给D₁一个具体的大小；

在D₁、D₂已知的条件下，需确定A的取值范围，上述探究参数对特征曲线的影响已经得出A并不影响特征曲线的非线性度，但需满足式(3)中的条件，带入得：

A∈(a,b) (7)

式中a,b分别为取值的上下限；

在此条件下，从B＝0开始逐渐取值，根据式(6)的判断方法得出此条件下B的最优解；

3)对参数D₁进行优化，(2)中已经得出在假定D₁已知的条件下B的最优解，则保证此B值不变，D₁从大于和小于假定值逐渐取值，根据式(6)的判断方法得出此条件下D₁的最有解；

4)重复2)，3)过程，迭代得出最优解，若式(6)计算值满足：

w_n+1＞w_n＜w_n-1…(8)

式中n表示迭代的次数；

则迭代停止，即得出B和D₁的最优解。