[发明专利]一种大张力高稳定轻小型恒力装置

权利要求书

1.一种大张力高稳定轻小型恒力装置，其特征在于，该装置包括包围盒和至少一个恒力单元；包围盒包括盒体和顶板，顶板上设有出绳孔和定滑轮；每个恒力单元包括非线性弹簧、滑块、滑杆、螺旋弹簧、调节螺母；滑杆两端设有内螺纹孔，与包围盒底板和顶板采用螺栓连接，滑杆下部光滑，中部设有限位突起，上部设有外螺纹；非线性弹簧一端与包围盒底板固定，另一端与滑块铰接；滑块设置于滑杆上可沿滑杆光滑段上下滑动；螺旋弹簧套设于滑杆外，一端与滑块连接，另一端与调节螺母连接；调节螺母与滑杆上部的外螺纹相配合，可以通过改变调节螺母在滑杆螺纹上的位置改变螺旋弹簧的长度。

2.根据权利要求1所述的大张力高稳定轻小型恒力装置，其特征在于，所述的螺旋弹簧的载荷位移曲线具有正的结构刚度k；所述的非线性弹簧具有负刚度，其载荷位移曲线中ab段为正刚度段，bc段为负刚度段；螺旋弹簧与非线性弹簧两者组合后结构的载荷位移曲线中，当非线性弹簧的bc段负刚度设计为-k时，组合后结构的载荷位移曲线具有恒力段de；当预调节力F_a施加于螺旋弹簧，其载荷位移曲线发生平移，如果非线性弹簧的设计方案保持不变，则可通过施加预调节力F_a，来调节恒力单元的输出恒力。

3.根据权利要求1所述的大张力高稳定轻小型恒力装置，其特征在于，所述的非线性弹簧为曲梁结构，其形态可采用样条曲线来表述，所述样条曲线为Bezier曲线、B样条曲线、或Nubers曲线。

4.根据权利要求1所述的大张力高稳定轻小型恒力装置，其特征在于，所述的非线性弹簧的样条曲线形态采用优化理论来设计，其设计方法如下：

1)建立非线性弹簧形态优化设计模型

为了设计最优的非线性弹簧的形态，使得其具有满足恒定力大小和位移行程设计要求的目标载荷-位移曲线，需要使其实际载荷-位移曲线尽可能逼近目标载荷-位移曲线，故选取若干目标载荷-位移曲线上的离散点建立优化目标函数如下：

min(SFE+DP)

其中，

非线性弹簧载荷-位移曲线的形态函数偏差SFE表示为：

式中N为载荷-位移曲线上离散点的个数；当弹簧未屈曲时，F_spring为实际施加的载荷，当弹簧发生屈曲时，F_spring为屈曲临界载荷，f_i为每个离散点上两条载荷-位移曲线的相对偏差；

位移惩罚函数DP为：

式中d_spring为实际的位移行程，d_min为预定的最小位移行程，W_disp为权重系数，可根据需要自行设定；

优化变量：非线性弹簧形态优化的优化变量包括：样条曲线若干控制点的坐标(x_i,y_i)、弹簧面内厚度h₁和面外厚度h₂；

约束条件：主要包括非线性弹簧的设计空间、弹簧面内厚度和面外厚度的取值范围及最大应力满足强度要求：

0≤x_i≤X,0≤y_i≤Y

0＜h₁≤h_1max

0＜h₂≤h_2max

σ_max＜[σ]

式中(x_i,y_i)为B样条曲线控制点的坐标，h₁为弹簧面内厚度和h₂为面外厚度，X,Y为优化设计空间，h_1max,h_2max分别为面内厚度和面外厚度的最大值，[σ]为弹簧材料的屈服应力；

2)采用GA算法结合非线性有限元软件ANSYS完成优化设计

创建若干组随机的设计变量初始值，每组设计变量代表一个设计方案，将设计变量映射到非线性弹簧的有限元模型，对每个设计方案进行非线性有限元分析，进行载荷-位移曲线力学性能评估，如果评估结果符合设计要求，则检查终止标准，如果不符合设计要求，则生成新的设计变量创建新的非线性弹簧设计方案，并进行新的优化迭代，最终确定非线性弹簧的最优形态设计方案。