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摘要：懸浮導(dǎo)向是一種新型的閥門導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是板形彈簧的設(shè)計。本文首先分析了板形彈簧的力學(xué)模型、有限元計算模型，然后以Abaqus軟件為基礎(chǔ)，以板形彈簧的徑向剛度為優(yōu)化目標，以軸向剛度、安裝區(qū)域為邊界條件，對設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化分析。然后根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，對應(yīng)力集中部位幾何輪廓進行了修改，減小了最大工作應(yīng)力。最后以輪廓尺寸為優(yōu)化參數(shù)，以應(yīng)力最小為優(yōu)化目標對輪廓進行了優(yōu)化。本文的分析過程、結(jié)果為板形彈簧的設(shè)計提供了有價值的參考。

關(guān)鍵詞：板形彈簧；懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

引言

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是閥門的重要零部件，導(dǎo)向配合出現(xiàn)問題如磨損、卡滯等將引起閥門失效，威脅運載器飛行可靠性[1,2]。在重復(fù)使用和一次性使用運載火箭用閥門的研制生產(chǎn)歷史上及其它行業(yè)閥門產(chǎn)品中，導(dǎo)向卡滯曾多次發(fā)生，主要原因有多余物、導(dǎo)向面無圓滑過渡、導(dǎo)向配合副材料匹配不合理、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理等[3-5]。針對重復(fù)使用運載器閥門的要求，未來重復(fù)運載器閥門導(dǎo)向結(jié)構(gòu)應(yīng)具有高耐磨性、適用高溫、低溫循環(huán)、高壓等惡劣環(huán)境等特點。懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)不存在滑動摩擦，消除了由于摩擦產(chǎn)生多余物的風險，及高低溫環(huán)境下由于膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)向發(fā)生卡滯的風險，提高了閥門動作的可靠性，延長了閥門的使用壽命。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所設(shè)計了渦旋柔性彈簧。陳楠和陳曦等[6-8]提出了廣泛用于小型低溫制冷機上直線壓縮機中渦旋柔性彈簧型線的設(shè)計方法，并通過分析得出結(jié)論：在外形尺寸一定的情況下，漸開線轉(zhuǎn)角和渦旋線圈數(shù)的增大都會引起徑向剛度的減小，軸向剛度增大。當基圓半徑增大和采用偏心布置時，軸向剛度和徑向剛度都變小，彈簧的共振頻率及彈簧剛度與質(zhì)量成比例關(guān)系。目前懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在火箭增壓輸送系統(tǒng)閥門還未見應(yīng)用，因此，有必要開展懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的研究。懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是板形彈簧的設(shè)計技術(shù)。本文以某電磁閥懸浮導(dǎo)向用板形彈簧為分析對象，以漸開線縫隙作為主要幾何特征，通過參數(shù)優(yōu)化給出一種具有小軸向剛度、大徑向剛度的盤簧結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其局部區(qū)域進行形狀優(yōu)化，使其在特定載荷下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力降低，從而滿足一定的結(jié)構(gòu)壽命需求。

1幾何結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

對于懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，采用有限元方法進行建模及仿真計算，采用Abaqus[9]軟件建立結(jié)構(gòu)模型并進行分析如下。板形彈簧整體為圓環(huán)形式（如圖1所示）。其中①、③為裝配區(qū)域不可設(shè)計，②區(qū)域為需要展開設(shè)計的區(qū)域。具體的技術(shù)指標為：板形彈簧結(jié)構(gòu)軸向剛度小于10N/mm，徑向剛度大于300N/mm，動作10000次不允許有塑形變形。以漸開線為主要幾何特征，以漸開線基圓半徑r、展角θ、縫隙寬度t和重復(fù)次數(shù)m為幾何參數(shù)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域挖出若干繞Z軸旋轉(zhuǎn)對稱的縫隙，從而滿足結(jié)構(gòu)在軸向和徑向的剛度要求。設(shè)計示意圖見圖2。

2有限元模型

板形彈簧邊界條件除之前提到的①、③為裝配區(qū)域不可設(shè)計外，其中①區(qū)域固定于殼體，為固支邊界，③區(qū)域為與活閥安裝面，位移保持一致，為剛性約束，參考點在軸心。在參考點施加軸向（Z軸正方向）和徑向（X軸正方向）單位力，以產(chǎn)生的相應(yīng)位移為軸向剛度、徑向剛度的度量標準。全局網(wǎng)格尺寸0.2mm，局部網(wǎng)格加密尺寸0.05mm。使用S4殼單元。

3滿足剛度指標的優(yōu)化模型

參考圖2已有某板形彈簧結(jié)構(gòu)，以漸開線為主要幾何特征，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域挖出若干繞Z軸旋轉(zhuǎn)對稱的縫隙，從而滿足結(jié)構(gòu)在軸向和徑向的剛度要求。而后在此參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以其他技術(shù)手段設(shè)法滿足結(jié)構(gòu)在壽命上的要求。已知漸開線方程為式中，r—漸開線基圓半徑；θ—漸開線的展角。這樣以漸開線的基圓半徑、展角、繞Z軸重復(fù)次數(shù)和縫隙寬度為設(shè)計變量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計域上展開參數(shù)優(yōu)化。若把結(jié)構(gòu)的壽命優(yōu)化看做一種低周期疲勞工況下的應(yīng)力約束優(yōu)化，那么考慮到后期在參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進行應(yīng)力約束優(yōu)化時，無論使用何種方法，結(jié)構(gòu)體積肯定會減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的柔順性增加。這對結(jié)構(gòu)的軸向剛度要求有利，而與徑向剛度要求矛盾。因此將結(jié)構(gòu)的徑向剛度要求作為參數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)，使得結(jié)構(gòu)的徑向剛度足夠大，為后續(xù)的應(yīng)力約束設(shè)計留有足夠的設(shè)計空間，而結(jié)構(gòu)的軸向剛度要求作為約束條件即可。參數(shù)優(yōu)化的優(yōu)化列式如下式中，r—漸開線基圓半徑；m—漸開線繞Z軸重復(fù)次數(shù)；t—漸開線的縫隙寬度；N1、N2—漸開線內(nèi)外兩端距離圓心的距離；Ux、Uz—結(jié)構(gòu)在軸向和徑向的單位力載荷作用下產(chǎn)生的位移。

4優(yōu)化分析過程及結(jié)果

本文以Abaqus軟件為基礎(chǔ)，采用混合整數(shù)優(yōu)化法、多島遺傳算法對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化計算。優(yōu)化共經(jīng)過1148次迭代。各設(shè)計變量和目標函數(shù)的上下限、初始值及優(yōu)化值見表1。參數(shù)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖3所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的mises應(yīng)力云圖見圖4，位移云圖見圖5，相關(guān)技術(shù)指標見表2，由優(yōu)化結(jié)果可知，軸向剛度、最大應(yīng)力較小、徑向剛度較大，滿足設(shè)計要求。

5參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力約束設(shè)計

把結(jié)構(gòu)的壽命優(yōu)化看做一種低周期疲勞工況下的應(yīng)力約束，那么結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不能超過某許用應(yīng)力，即

5.1經(jīng)驗修改參考圖2中的板形彈簧結(jié)構(gòu)，對參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的漸開線內(nèi)端應(yīng)力集中區(qū)域進行修改。有限元模型的全局網(wǎng)格0.5mm，局部細化網(wǎng)格0.1mm；原本的軸向單位力載荷改為1mm大小的軸向位移載荷，其他載荷及邊界條件不變。修改前后的模型網(wǎng)格見圖6，有限元計算結(jié)果見圖7。修改前的結(jié)構(gòu)在1mm軸向位移載荷下的最大應(yīng)力為268.5MPa，修改后應(yīng)力降到162.5MPa。應(yīng)力降低幅度達到39.5%。當應(yīng)力約束要求不非常嚴格時，經(jīng)驗修改方法非常實用。

5.2形狀優(yōu)化應(yīng)用Abaqus6.11的Atom模塊，對經(jīng)驗修改后的結(jié)構(gòu)進行形狀優(yōu)化，進一步降低結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力。設(shè)計域及模型網(wǎng)格如圖8所示。優(yōu)化前結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為166.5MPa，優(yōu)化后最大應(yīng)力為161.4MPa，應(yīng)力降低幅度只有3.06%，效果不明顯。圖9展示了部分設(shè)計域的前8次迭代結(jié)果。

5.3壽命評估由于懸浮導(dǎo)向采用金屬材料，對于常溫工況不敏感，由于其應(yīng)用環(huán)境一般為小位移工況環(huán)境，因此對1mm運動工況下進行壽命評估。根據(jù)Manson-Coffin應(yīng)變-疲勞壽命分析理論，采用最大主應(yīng)變準則，總應(yīng)變—壽命由下式描述式中，εa—總應(yīng)變幅；σf—疲勞強度系數(shù)，如果沒有試驗數(shù)據(jù)，可以取1.75σb；E—彈性模量；N—疲勞次數(shù)；b—疲勞強度指數(shù)，如果沒有試驗數(shù)據(jù)，可以取-0.12；c—疲勞延性指數(shù)，如果沒有試驗數(shù)據(jù)，可以取-0.6；εf—疲勞延性系數(shù)，如果沒有試驗數(shù)據(jù)，可以取0.5εf0.6；εf=ln(1/(1-RA))，RA為斷面收縮率，如果沒有試驗數(shù)據(jù)，可取0.6；σm—平均應(yīng)力，最大壓力和最小應(yīng)力的平均值。計算軸向1mm運動循環(huán)過程中對應(yīng)最危險單元的應(yīng)力狀況，可以得到1mm運動循環(huán)工況下應(yīng)變疲勞壽命為N=2.3000e+006次。

6結(jié)論

本文首先在參考某原有板形彈簧結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提取其主要幾何特征，以結(jié)構(gòu)漸開線縫隙的幾何參數(shù)為設(shè)計變量進行了兩個滿足剛度要求的參數(shù)優(yōu)化，而后通過經(jīng)驗修改、形狀優(yōu)化對參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進行應(yīng)力約束優(yōu)化從而滿足其壽命要求。分析結(jié)果表明，以漸開線幾何參數(shù)為變量的優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計要求，根據(jù)經(jīng)驗修改應(yīng)力集中區(qū)域輪廓能顯著降低最大工作應(yīng)力。本文的分析過程、結(jié)果為板形彈簧的設(shè)計提供了有價值的參考。

參考文獻

[1]岳兵,史剛,等.電磁閥閥芯卡滯故障分析與改進[J].航天制造技術(shù),2016,9(10):54-57.

[2]韓斐,宋筆鋒,等.閥門可靠性技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望[J].機床與液壓,2008,36(9):138-143.

[3]余鋒,王細波,等.保險閥導(dǎo)向桿斷裂故障分析及結(jié)構(gòu)改進[J].強度與環(huán)境,2013,40(4):36-42.

[6]陳楠.渦旋柔性彈簧型線設(shè)計及有限元分析[J].中國機械工程,2006,17(12):1261-1264.

[7]陳曦,袁重雨,祈影霞.不同型線柔性軸承的性能分析及比較[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2012,38(12):1625-1628.

[8]袁重雨,陳曦,等.三種不同型線柔性彈簧的有限元分析及對比研究[J].低溫與超導(dǎo),2011,39(7):21-24.

[9]莊茁,由小川,等.基于Abaqus的有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

作者：崔景芝 孫法國 石朝鋒 岳兵 單位：北京宇航系統(tǒng)工程研究所