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摘要I摘要气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分，它可保证气门关闭时,依靠弹力使气门与阀座保持闭合密封。而气门弹簧受强度、刚度、稳定性等约束条件较多，使其尺寸也受到限制,导致其应力状态严重。因此，对气门弹簧进行结构分析与其参数的优化就变的尤为重要。本文分析了弹簧的结构参数，得出设计公式。然后基于实体建模进行分析，得到变形量与应力分布图。再基于梁单元对弹簧进行分析，并于设计公式得到的结果进行比较。最后，通过分析内燃机气门弹簧优化设计的设计变量、目标函数和约束条件,建立起以内燃机气门弹簧的质量、高度为目标函数的多目标优化设计数学模型,利用理想点法统一目标函数，并给出了设计实例。算例结果表明该方法具有工程实用价值；并通过MATLAB提供的可视化界面设计，设计出了可视化界面程序。本文对弹簧进行了有限元分析得出变形量与应力分布图。而对弹簧的优化设计方法，能够准确优化出弹簧的参数，能缩短气门弹簧优化的时间，具有实用价值。关键词：气门弹簧，多目标，优化设计，可视化界面，有限元AbstractIIAbstractValvespringisanimportantpartofthevalvemechanism.Itcanensurethatvalveisclosed.Therearemoresectorsthatrestrictthevalvespringsuchasthestrength,stiffness,stabilityconstraints,leadingtoseverestress.Therefore,structuralanalysisofthevalvespringanditsoptimizationparametersisparticularlyimportant.Startingfromthestructureofspringinthispaper,thenwecangettheformulaofspring.Then,basedonthespringbeamelementanalysis,wecangetthefigureofdeformationandstressdistribution.Furtheranalysisbasedonrealmodelingandwasdesignedtocomparetheresultsoftheformula.Finally,throughanalysisthedesigningvariables,targetfunctionsandrelatedconstraintsofvalvespringinInternalCombustionEngines,itsetuptheoptimumdesignmathmodelofmulti-objective.Theoptimumdesignmultipleofmulti-objectivewasexplore.Thedesigningexamplewasoffered,theresultshowedthatmethodisthemoreengineeringpractical.MATLABprovidesGUI,wecandesignoftheprogramofvisualinterface.Thismethodofoptimization,canaccuratelyoptimizetheparametersofthespring.Wecanshortentheoptimizationtimeandithaspracticalvalue.Keywords:valvespring;multi-objective;optimaldesign;visualinterface;finiteelement目录III目录摘要...............................................................IAbstract...........................................................II目录.............................................................III第一章绪论.........................................................11.1课题的背景和意义............................................11.2国内外研究现状..............................................11.3本文的主要研究内容..........................................4第二章圆柱螺旋弹簧设计计算方法.....................................52.1圆柱螺旋弹簧的几何参数......................................52.2圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性与自振频率..........................62.3圆柱螺旋压缩弹簧的结构与设计计算............................72.4本章小结....................................................9第三章基于有限元的圆柱螺旋弹簧分析................................103.1基于实体单元的圆柱螺旋弹簧的分析...........................103.2基于梁单元的圆柱螺旋弹簧的分析.............................153.3本章小结...................................................20第四章节距对圆柱弹簧刚度强度计算结果的影响........................214.1螺旋角对圆柱弹簧刚度计算结果的影响.........................214.2变节距弹簧刚度强度计算结果的影响...........................224.3本章小结...................................................25第五章气门弹簧的参数优化方法研究及可视化界面开发..................265.1优化设计...................................................265.2建立优化设计的数学模型.....................................275.3基于MATLAB可视化界面的开发................................315.4本章小结...................................................37第六章总结与展望..................................................396.1总结.......................................................396.2展望.......................................................39参考文献...........................................................40A.附录............................................................41致谢...............................................错误!未定义书签。第一章绪论1第一章绪论1.1课题的背景和意义气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分。它的作用是:在气门关闭时,依靠弹力使气门与阀座保持闭合密封;在气门启闭过程中,使气门及其驱动机构不脱离凸轮的控制并随之运动。气门弹簧在工作时承受周期性交变载荷,还必须克服机构在高速运转时可能产生的振动所引起的附加载荷。此外,由于气缸盖本身尺寸的限制,气门弹簧的尺寸也受到限制,导致其应力状态严重。在发动机运转中，气门弹簧不仅用来保证气门在需要关闭时关闭，更重要的是在整个配气过程中，能保证气门按照配气凸轮轮廓形状确定的运动规律运动。为了防止挺杆(或摇臂)瞬时离开凸轮型面的发生，即确保气门的密封性能，气门弹簧应拥有足够的刚度，使其压紧力始终大于配气机构产生脱离趋势的惯性力。但若弹簧刚度过大，则气门运动过程中相关零部件需克服的弹簧力也相应变大，这就要求增加受力零部件的强度及耐磨性。所选的弹簧刚度适当，则有利于减少气门运动产生的噪声、震动和磨损。另外为满足发动机长久地高速运转，气门弹簧还要具有优良的抗疲劳性能等。最优化设计理论作为解决最优化问题的一种数值方法,自建立以来,在工业研究和设计领域获得了广泛的发展,在内燃机的研究和设计中也得到了很好的应用。该课题采用多目标优化设计理论对气门弹簧进行设计,说明了最优化理论在内燃机等机械设计中的应用，并且采用最优化设计的方法,建立约束条件，对气门弹簧的尺寸进行选定，最后通过分析软件ANSYS分析其应力状态与变形，得到的结果应具有重量轻、体积小、防共振性能好的特点,降低了生产成本,提高了产品竞争力,而且减轻了内燃机的轴承负荷和振动等,对内燃机其他机械零件的研究和设计有一定参考价值。1.2国内外研究现状有限元分析：目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的。若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧，随着设计应力的提高，以往的很多经验不再适用。为此，必须采用弹簧精密的解析技术，当前应用较为广泛的方法是有限元法（FEM）有限元法是20世纪60年代随电子计算机的广泛应用而发展起来的一种数值方法。具有很强的通用性和灵活性。早在20世纪40年代初，欧拉等人就提出了有限元法的基本思想，但一直没有引起人们的足够重视。直到20世纪50年代中期，才开始有人利用这种思想对航空工程中的飞机结构进行矩阵分析；其分析思第一章绪论2路是：将整个结构看作由有限力学小单元相互连接而形成的集合体，每个单元的力学特性组合在一起便可提供整体结构的力学特性。这种处理问题的思路在1960年被广泛用于求解弹性力学的平面应力问题，并开始使用“有限单元法”这—术语。之后，随着电子计算机的飞速发展，有限单元法如虎添冀，经过40多年的发展，目前国内外已有许多大型通用的有限死分析程序可供使用，如ANSYS、ADINA等。现在许多大型有限元分析软件都已配备了功能很强的前后置处理程序，并已出现了将人工智能技术引入有限元分析软件，形成了比较完善的专家系统，起步实现了有限元分析的智能化。在一定条件下，内单元集合成的组合结构能近似于真实结构，因此分区域插值求解也就能趋近其真实解。这种求解方法及其所满足的条件，就是有限元方法所要研究的内容。有限元法可适应于任何复杂的几何区域，便于处理不同的边界条件，这一点比常用的差分法更为优越。在满足一定条件下，单元越小、结点越多，有限元数值解的精度也就越高。有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限单元所组成的组合体，这一过程简称为离散化。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的连接除了结点之外再无任何关联。但是这种连接要满足变形协调条件，既不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时．组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的