混合臂式高空作業(yè)車工作臂綜合優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、混合臂式高空作業(yè)車是大型工程機械中的高端產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)復雜,尺寸大,其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是工程機械研究與開發(fā)的難點和前沿領(lǐng)域。隨著其在各個產(chǎn)業(yè)的廣泛應用,對工作范圍和安全性的要求越來越高,高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)強度分析與優(yōu)化設(shè)計問題顯得日益突出。研究工作范圍更大,安全性更高及質(zhì)量更輕的高空作業(yè)車,不但能提高工作性能,而且可以降低成本,具有重要的工程應用價值和理論意義。
　　 高空作業(yè)車工作臂的優(yōu)化設(shè)計涉及多個目標函數(shù),是一個Pareto最優(yōu)解問

2、題。論文提出了一種集成CAD建模、CAE分析和優(yōu)化程序為一體的綜合優(yōu)化方法,運用該方法可以對任意形狀的單個物體和復雜裝配體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,為高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了一種通用性方案。文中提出了批處理參數(shù)化建模方式解決了復雜裝配體的裝配關(guān)系的參數(shù)化問題,實現(xiàn)了CAD建模、CAE分析和優(yōu)化的集成?；谙嗨评碚?將工作臂工作范圍從19m到28m的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為19m工作臂的機構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化、截面形狀和尺寸優(yōu)化以及拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了優(yōu)化的效率和

3、精度,最終優(yōu)化后的28m的工作臂不僅滿足強度設(shè)計的要求,而且使工作臂的總質(zhì)量降低了19％,小于2.5噸,達到了高空作業(yè)車的同級歐洲標準。本文提出的優(yōu)化方法取得了良好的優(yōu)化效果,可推廣應用于工程實際產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。
　　 論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點如下:
　　 1.以多體動力學理論為基礎(chǔ),在ADAMS中建立工作臂的多體動力學模型。簡化工作臂中的附屬部件,由于外形尺寸較小的幾何特征對工作臂的運動學特性和動力學特性影響很小,因此在

4、動力學模型中將其省略；對于鏈條和控制線路等具有一定的質(zhì)量但幾何建模無法實現(xiàn)的部件,在其相應的質(zhì)心位置簡化為質(zhì)量點。為了獲取工作臂關(guān)鍵點在整個工作過程中的應力曲線,采用模態(tài)綜合法建立了工作臂主要部件的柔性體模型,進行剛?cè)狁詈蟿恿W分析。首次提出了啞元建模方法,解決了ADAMS中平動約束副連接物體無法柔性化,以及柔性體與柔性體無法直接連接的難題。
　　 2.以簡支梁模型為例,研究了銷軸連接模型的建模方法。分別以自由度耦合法、界面單元

5、法和接觸單元法模擬銷軸連接建立簡支梁有限元模型,通過與解析解比較,證明接觸單元法的分析精度更高；在此基礎(chǔ)上,研究了接觸摩擦系數(shù)、接觸剛度因子和穿透量誤差因子等參數(shù)對接觸單元法分析結(jié)果的影響規(guī)律,為工作臂有限元分析中的參數(shù)設(shè)置提供指導。采用接觸單元法建立工作臂的整體有限元模型,獲得在最危險工況下的工作臂主要部件的應力和應變分布情況。由于接觸單元法包含大量的非線性迭代計算,為了提高計算的效率,以接觸單元法為基礎(chǔ)提出子模型分析法,將工作臂的整

6、體分成多個子模型分別進行有限元分析,另外還建立了單件的比較精確的有限元分析模型。
　　 3.為了驗證多體動力學分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果的精度,采用實驗應力分析方法,以電阻式應變片和靜態(tài)電阻應變儀測定某些關(guān)鍵位置的應力分布情況。與數(shù)值分析的結(jié)果進行比較,結(jié)果表明特定工況下的有限元分析結(jié)果更為精確,進一步證明接觸單元法能有效地解決銷軸連接的建模問題。
　　 4.考慮到工作臂的結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系復雜,尺寸大,剛?cè)狁詈隙囿w動力學分析

7、和接觸單元法有限元分析計算量大,為了提高優(yōu)化的效率,論文提出將工作臂的優(yōu)化分成三個步驟,即機構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。在機構(gòu)優(yōu)化中,將工作臂的整體模型簡化為二維多體動力學模型,取各硬點的x、y坐標為設(shè)計變量,關(guān)鍵點的受力為約束變量,以工作臂的工作范圍為19m和工作臂系統(tǒng)的總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標,分別采用基于梯度的NLPQL算法和隨機搜索算法中的GA對其進行優(yōu)化,將兩種算法優(yōu)化的結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn),GA.更適用于多變量的復雜系統(tǒng)的優(yōu)化。

8、通過優(yōu)化獲得了19m工作臂機構(gòu)型式的最優(yōu)解,并確定了主要零件的長度和裝配關(guān)系。
　　 5.為了滿足工作臂的強度要求和提高其工作范圍,同時降低材料的消耗,在結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化中以零部件的質(zhì)量和長度為目標函數(shù)進行多目標優(yōu)化。首先以相似理論為基礎(chǔ),推導出相似模型的動力學特性以及應力之間的映射關(guān)系,再確定優(yōu)化19m模型時應力約束條件。論文首次提出將CAD建模、CAE分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化集成為一體的優(yōu)化方法。對工作臂的各主要部件,在Pro/E中采用批

9、處理參數(shù)化建模方式建立其三維CAD模型,并導入有限元分析軟件ANSYS中,以APDL語言編程使強度分析在batch模式下運行,在批處理參數(shù)化文件中設(shè)定各部件的設(shè)計變量,在ANSYS分析結(jié)果文件中取優(yōu)化的目標函數(shù),采用隨機搜索算法MIGA、NSGA和NSGA-Ⅱ控制此程序,獲得工作臂截面形狀和尺寸的Pareto最優(yōu)解。
　　 6.工作臂的前、后安裝架結(jié)構(gòu)復雜,為了減少消耗的材料,降低成本,以有限元分析為基礎(chǔ),采用優(yōu)化準則法對工作臂