現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)方法期末論文.doc

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基于MATLAB的少片變厚截面板簧輕量化設(shè)計(jì)1題目的引入近年來(lái)在許多國(guó)家的汽車(chē)上采用了一種由單片或23片變厚度斷面的彈簧片構(gòu)成的少片變截面鋼板彈簧，其彈簧片的斷面尺寸沿長(zhǎng)度方向是變化的，片寬保持不變。這種少片變截面鋼板彈簧克服了多片鋼板彈簧質(zhì)量大，性能差（由于片間摩擦的存在，影響了汽車(chē)的行駛平順性）的缺點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在兩種彈簧壽命相等的情況下，少片變截面鋼板彈簧可減少質(zhì)量40% 50%。因此，這種彈簧對(duì)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的輕量化，節(jié)約能源和合金彈簧鋼材大為有利。目前我國(guó)生產(chǎn)的中、輕型載貨汽車(chē)的鋼板彈簧懸架基本上都采用了少片變截面鋼板彈簧。正是由于汽車(chē)輕量化需求，在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)設(shè)計(jì)中，逐漸采用少片變截面板簧取代多片等截面板簧。少片變截面板簧制造方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，能夠進(jìn)一步提高板簧的單位儲(chǔ)能量?；善瑧?yīng)力分布均勻，可充分利用材料，大大減少片間摩擦，減輕簧片磨損，提高板簧壽命，降低板簧動(dòng)剛度，從而改善車(chē)輛的行駛平順性同時(shí)對(duì)提高汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性也極有利。為滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化需求，在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)設(shè)計(jì)中，逐漸采用少片變截面板簧取代多片等截面板簧?，F(xiàn)在汽車(chē)上采用的變厚截面彈簧主要有兩種型式。即葉片寬度不變與寬度向兩端變寬的彈簧。這里選取葉片寬度不變的板簧利用MATLAB軟件對(duì)截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2進(jìn)行需求分析并建立數(shù)學(xué)模型2.1.設(shè)計(jì)變量對(duì)于梯形變厚斷面彈簧（圖1），其設(shè)計(jì)參數(shù)包括長(zhǎng)度、，厚度尺度、，葉片寬度b及葉片數(shù)n。圖1梯形變厚斷面彈簧截面簡(jiǎn)圖端部等厚部分厚度 中部等厚部分厚度端部等厚長(zhǎng)度 中部等厚長(zhǎng)度之半彈簧總長(zhǎng)之半 端部載荷一般取決于彈簧在汽車(chē)上的裝夾情況，因此是預(yù)先確定的，即為常數(shù)；寬度b取決于整車(chē)布置和彈簧扁鋼的尺寸規(guī)格，在彈簧設(shè)計(jì)之前可以選定一個(gè)適當(dāng)值；葉片數(shù)n一般小于或等于4，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將其作為常數(shù)。因此，優(yōu)化少片簧結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，其設(shè)計(jì)變量共有4個(gè)，即并作為連續(xù)變量來(lái)考慮。2.2目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)少片變截面鋼板彈簧是為了滿(mǎn)足車(chē)輛輕量化要求，在滿(mǎn)足板簧性能的條件下，盡量降低其質(zhì)量。故優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)為重量最輕，即求。2.3約束方程考慮到鋼板彈簧的布置、剛度、強(qiáng)度、材料、尺寸規(guī)格以及制造工藝等方面的要求，可列出下列約束方程。（1）彈簧卷耳處應(yīng)力復(fù)雜，為使彈簧卷耳具有足夠的強(qiáng)度，彈簧端部等厚部分的厚度應(yīng)大于其最小的允許厚度：（2）為了保證彈簧鋼材料的淬透性，彈簧中部最大厚度應(yīng)限制在某一允許厚度之內(nèi)：（3）根據(jù)彈簧厚度和不相等，且1mm的要求，得約束方程：（4）考慮彈簧的應(yīng)力分布和其在區(qū)段內(nèi)的強(qiáng)度，最大應(yīng)力應(yīng)小于允許應(yīng)力，得約束方程： （5）考慮卷耳的尺寸要求： （6）由彈簧主片最大伸直長(zhǎng)度之半應(yīng)限制在某一允許長(zhǎng)度L之內(nèi)的彈簧總體布置要求，得約束方程：（7）為保證汽車(chē)具有良好的平順性，彈簧剛度K對(duì)于設(shè)計(jì)要求的剛度的誤差應(yīng)小于，由此得約束方程帶入截面尺寸參數(shù)得： （8）計(jì)算應(yīng)力應(yīng)小于材料的允許應(yīng)力。首先要判斷出彈簧最大應(yīng)力的位置，然后計(jì)算其最大應(yīng)力。 當(dāng)時(shí)，得約束方程：當(dāng)時(shí)，彈簧最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在彈簧中部截面，由此得約束方程： 由上述分析結(jié)果可知少片簧以質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，是一個(gè)4維8個(gè)不等式約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題。在設(shè)計(jì)編程的過(guò)程中，將n值在14之間反復(fù)試驗(yàn)，最終得出，在 n=2時(shí)有優(yōu)化結(jié)果。所以，可以將n值直接帶入2即可。不必將其作為變量來(lái)對(duì)待。3 MATLAB優(yōu)化程序設(shè)計(jì)3.1選取常量數(shù)值端部載荷=5076N彈簧寬度 b=8cm端部等厚部分最小允許厚度=0.8cm取彈簧材料為55SiMnVB，則彈簧最大允許淬透厚度=1.5cm允許剛度誤差Ka=0.1螺栓距離s=97mm取中間等厚部分長(zhǎng)度=5cm設(shè)計(jì)剛度K=397 N/cm許用應(yīng)力=350MPa =420MPa3.2 MATLAB優(yōu)化程序代碼與實(shí)現(xiàn)3.2.1主函數(shù)function f=fun(x)fp=fopen(e:11.txt,r);%讀取數(shù)據(jù)S=fscanf(fp,%g);%將數(shù)據(jù)寫(xiě)入矩陣中%S=textread(ll.txt);st=fclose(fp);b=S(1,1);n=S(2,1);l3=S(3,1); f=0.156*b*n*(x(1)*x(3)+0.5*(x(4)-x(3)-l3)*(x(1)+x(2)+x(2)*l3);save ceshii.mat f3.2.2函數(shù)體function c,ceq=confun(x) %非線性約束fp=fopen(e:12.txt,r); %讀取數(shù)據(jù)S=fscanf(fp,%g);%將數(shù)據(jù)寫(xiě)入矩陣中st=fclose(fp);%S=textread(l2.txt);o1=S(1,1); %o1=350MPao2=S(2,1); %o1=420MPab=S(3,1); %b=8cml3=S(4,1); %l3=5cmke=S(5,1); %ke=397 MPaka=S(6,1); %ka=0.01p=S(7,1); %p=5076n=S(8,1); %n=2cc=6*p*x(3)*0.01/(n*b*x(1)2);c(1)=cc-o1;if x(3)L2區(qū)段內(nèi)，另外當(dāng)0.5 時(shí)即2h1h2則0,有L1。彈簧最大應(yīng)力點(diǎn)在xL2區(qū)段內(nèi)。若最大應(yīng)力點(diǎn)不是出現(xiàn)在B點(diǎn)，則由： (3)令 則可得彈簧最大應(yīng)力點(diǎn)位置X= (4)彈簧最大應(yīng)力為： （5）根據(jù)上述分析，下面來(lái)確定本設(shè)計(jì)彈簧最大應(yīng)力點(diǎn)位置。由于本次設(shè)計(jì)的兩片彈簧尺寸相同，所以只校核一片即可。L=350mm h1=9mm h2=10mm故最大應(yīng)力點(diǎn)在B點(diǎn)。由式（5）校核最大應(yīng)力故滿(mǎn)足要求。4.2彎曲應(yīng)力考慮到彈簧的應(yīng)力分布與其在L1段的強(qiáng)度點(diǎn)C處的彎曲應(yīng)力為故，符合設(shè)計(jì)要求。9