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(jī)械中的高端產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸大,其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是工程機(jī)械研究與開發(fā)的難點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。隨著其在各個產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)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(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)用價(jià)值和理論意義。
　　 高空作業(yè)車工作臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及多個目標(biāo)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?yàn)橐惑w的綜合優(yōu)化方法,運(yùn)用該方法可以對任意形狀的單個物體和復(fù)雜裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),為高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fù)雜裝配體的裝配關(guān)系的參數(shù)化問題,實(shí)現(xiàn)了CAD建模、CAE分析和優(yōu)化的集成。基于相似理論,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(jī)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化、截面形狀和尺寸優(yōu)化以及拓?fù)浣Y(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(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求,而且使工作臂的總質(zhì)量降低了19％,小于2.5噸,達(dá)到了高空作業(yè)車的同級歐洲標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)用于工程實(shí)際產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1.以多體動力學(xué)理論為基礎(chǔ),在ADAMS中建立工作臂的多體動力學(xué)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(yùn)動學(xué)特性和動力學(xué)特性影響很小,因此在

4、動力學(xué)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(shí)現(xiàn)的部件,在其相應(yīng)的質(zhì)心位置簡化為質(zhì)量點(diǎn)。為了獲取工作臂關(guān)鍵點(diǎn)在整個工作過程中的應(yīng)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(jìn)行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)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(dǎo)。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(xiǎn)工況下的工作臂主要部件的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。由于接觸單元法包含大量的非線性迭代計(jì)算,為了提高計(jì)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(jìn)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(yàn)證多體動力學(xué)分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果的精度,采用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法,以電阻式應(yīng)變片和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測定某些關(guān)鍵位置的應(yīng)力分布情況。與數(shù)值分析的結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(fù)雜,尺寸大,剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析

7、和接觸單元法有限元分析計(jì)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(jī)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。在機(jī)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(xué)模型,取各硬點(diǎn)的x、y坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量,關(guān)鍵點(diǎn)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(biāo),分別采用基于梯度的NLPQL算法和隨機(jī)搜索算法中的GA對其進(jìn)行優(yōu)化,將兩種算法優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),GA.更適用于多變量的復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化。

8、通過優(yōu)化獲得了19m工作臂機(jī)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(qiáng)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(biāo)函數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。首先以相似理論為基礎(chǔ),推導(dǎo)出相似模型的動力學(xué)特性以及應(yīng)力之間的映射關(guān)系,再確定優(yōu)化19m模型時應(yīng)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(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中,以APDL語言編程使強(qiáng)度分析在batch模式下運(yùn)行,在批處理參數(shù)化文件中設(shè)定各部件的設(shè)計(jì)變量,在ANSYS分析結(jié)果文件中取優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),采用隨機(jī)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(fù)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(zhǔn)則法對工作臂