．机械制造与研究·张慧贤，等·基于MatLab的圆柱螺旋压缩弹簧模糊可靠性优化设计基于MatLab的圆柱螺旋压缩弹簧模糊可靠，l生优化设计张慧贤，唐胜利，任中全(西安科技大学，陕西西安710054)摘要：针对传统优化设计的局限性，通过应用模糊设计理论和可靠性设计理论，建立了圆柱螺旋压缩弹簧模糊可靠性优化设计的数学模型；给出了算例并采用MatLab对其进行优化。研究表明：模糊可靠性优化设计与MatLab相结合在弹簧的优化设计方面具有很好的应用效果。关键词：圆柱螺旋压缩弹簧；模糊可靠性；优化设计；MatLab中图分类号：rn35文献标识码：A文章编号：1671—5276(2005)03—0016-04FuzzyReliabilityOptimalDesignofCylinderHelixSpringBasedonMatLabZHANGHui—xian，TANGSheng—li，RENZhong—quan(Xi’anUniversityofScience&Technology，SXXi’an710054，China)Abstract：Aimatlimitationoftraditionaloptimaldesign，byapplyingfuzzydesigntheoryandreliabilitydesigntheory，amathematicalmodeloffuzzyreliabilityoptimaldesignofcylinderhelixspringisestablished．AexalTl—pieisgivenbutalsooptimized．TheresultofresearchrevealsthatthemethodoffuzzyreliabilityoptimaldesigncombinedwithMatLabwillbringaverypreciseeffectinoptimaldesignofspring．Keywords：cylinderhelixspring；fuzzyreliability；optimaldesign；matLab0引言隔离动触头是运用于手车式高压开关柜断路器的主要电接触元件，其动静触头的接触压力直接关系到开关柜的工作安全性。过高的工作压力将增加动静触头的闭合难度，易使触片发生变形及使镀银层过早发生脱落。过低的工作压力将使动静触头产生虚接，从而影响动热稳定性，甚至发生烧损的严重事故。因此，保证可靠的工作压力是开关柜安全工作的前提，作为触头工作压力的提供者——圆柱螺旋压缩弹簧的设计便成为关键。长期以来，传统设计的安全系数评定法在做出了很大贡献的同时，也产生了设计冗余问题。对于一些精确控制的场合，诸如以上所述的弹簧压力冗余问题，这种冗余往往产生危害。作为传统的可靠性优化设计，虽然考虑了参量的随机性，以确保或预测所设计的产品在规定的使用条件下完成规定功能的概率，但由于未考虑有关参量的模糊性，故不能保证产品具有最佳的工作性能和参数匹配。因此，引入模糊可靠性优化设计方法综合分析是其·16·发展方向。1干涉模型的建立与综合应力一强度分布1．1应力一强度分布干涉在机械设计中为保证产品的可靠性，常要求零件的工作应力小于强度，但由于实际中应力与强度的离散性，使应力一强度两概率密度函数曲线相交而发生干涉，如图1所示的f(s)、g()分别为应力、强度分布的概率密度函数，阴影部分就为可能发生故障的区域---1。由干涉图还可看出，当应力与强度的分散性较大时，干涉部分就会加大，不可靠度增加；应力与强度的分散性较小时，干涉部分减小，从而可靠度增加。由于这种干涉的不可避免，因此尽量减小失效概率便成为设计的目标。1．2应力分布的确定笔者所设计的圆柱螺旋压缩弹簧，在工作状态下主要承受静载荷，动载荷不频繁，只是在动静触头闭合的瞬间发生，故在此只考虑弹簧静强度的可靠性而不考虑疲劳强度的可靠性。设应力S=http：#ZZHDchinajourna1netenE—mail：ZZHD@chinajouma1．net．ca《机械制造与自动化》维普资讯http://www.cqvip.com·机械制造与研究·张慧贤，等·基于MatLab的圆柱螺旋压缩弹簧模糊可靠性优化设计f(xl，z2，z3⋯92n)，5f1～为一组影响应力的随机变量，在此确定该组变量分别为作用在弹簧上的轴向载荷F，弹簧中径D，弹簧钢丝直径d，材料剪切弹性模量G及弹簧的有效圈数。图1应力强度干涉图即S=f(F，D，d，G，)。由于这些参数的随机性，应力S也是随机变量。将最大剪应力r一作为失效判据，则8KDF~，、n1ax一3，式中：K——曲度系数，K=+；其中，C为旋绕比，C=；F一——最大工作载荷。)⋯8FD3n一8—FC—3n“GdGd式中：A——弹簧受载后轴向变形；G——剪切弹性模量，gPa。．．．一一—盟一一8D3一8C3式中：，c——弹簧刚度；——弹簧的有效圈数。由式(1)得剪应力均值为：—8KDF，剪应力7...
