關(guān)于ADAMS重型自卸車舉升機構(gòu)的仿真優(yōu)化研究論文
引 言
近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,市場對重型自卸車的需求量大大增加,這類自卸車廣泛應(yīng)用于使用條件比較惡劣的礦山工地,舉升機構(gòu)是自卸車的核心機構(gòu),設(shè)計時既要考慮運動學(xué)問題,又要考慮機構(gòu)的強度問題。若舉升機構(gòu)設(shè)計不當,容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的早期斷裂現(xiàn)象。自卸車的舉升機構(gòu)可分為直推式和連桿組合式兩大類。直推式設(shè)計簡單,易于計算,但油缸行程長,一般采用多級油缸,成本高。連桿組合式油缸行程短,可采用單級油缸,制造工藝簡單,機構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后可得到較小的油缸力曲線,但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計計算比較困難。
傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用“作圖法” ,效率低且精度差。近來出現(xiàn)利用計算機編制優(yōu)化程序進行設(shè)計的一些方法,計算精度得到了提高,但程序一般只針對一種類型的舉升機構(gòu),程序通用性差而調(diào)試工作量大,如何保證程序的可靠性也是令人頭疼的問題。隨著CAE技術(shù)的成熟,虛擬樣機技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,工程技術(shù)人員可以利用CAD軟件建立三維機構(gòu)模型,在CAE軟件中對其施加鉸鏈及運動約束,模擬現(xiàn)實中的機構(gòu)運動并進行仿真優(yōu)化,得到所需的設(shè)計數(shù)據(jù),精確度高并大大縮短開發(fā)周期,降低了成本。
采用世界一流的多體動力學(xué)仿真軟件—— ADAM S的虛擬樣機技術(shù),對某汽車廠重型自卸車的浮動油缸式舉升機構(gòu)進行仿真優(yōu)化研究,目的是對原有機構(gòu)進行優(yōu)化,在給定舉升質(zhì)量和滿足最大舉升角的前提下,改變機構(gòu)尺寸,使油缸舉升力最小,降低油缸的制造成本。
1 虛擬樣機的建立
1. 1 建立模型
ADAMS軟件的建模能力不強,虛擬樣機的三維模型可利用Catia、UG等三維CAD軟件建立,再導(dǎo)入ADAMS軟件中。本次設(shè)計為了簡化模型、加快設(shè)計進度,在ADAM S直接建立圖1所示的抽象模型,并不影響計算結(jié)果。
長方體為裝載貨物的車箱,總質(zhì)量為40 t,假設(shè)在工作過程中總質(zhì)量不發(fā)生變化; A 為后鉸鏈點, BD為拉桿, CE為油缸, DEF為三角板。A～ F 點均為圓柱副連接,油缸CE由兩個連桿組成,相對運動為滑動副,施加平移驅(qū)動。施加運動副時,要注意其方向正確性并不得有多余約束,否則不能完成運動仿真。
要找到一個最佳位置,使油缸舉升力最小,并滿足自卸車其它方面的要求。各點的初始位置可以由原車型各點的設(shè)計位置來確定, A 點為原點。
1. 2 虛擬樣機的仿真
模型建立后進行一次仿真,油缸行程按850 mm,輸出油缸舉升力隨活塞行程的變化曲線(見圖2)。油缸舉升力最大值為( 6. 88× 105 ) N.
1. 3 模型的參數(shù)化
進行優(yōu)化要定義設(shè)計變量,設(shè)計變量的值是可以改變的。以B～ F 點的x、y 坐標作為設(shè)計變量,當各點的`坐標變化時,桿件和結(jié)構(gòu)尺寸也發(fā)生相應(yīng)的改變,系統(tǒng)自動修改模型,不需要人工干預(yù),提高了優(yōu)化效率。
定義設(shè)計變量的值時要注意它們的取值范圍,這個取值范圍取決于車箱底架及副車架的結(jié)構(gòu)布置,并不與舉升機構(gòu)產(chǎn)生干涉。將定義好的設(shè)計變量代入各點坐標中,即完成了虛擬樣機的參數(shù)化過程。
1. 4 建立約束條件
為了使自卸車能將貨物卸干凈,舉升角應(yīng)大于貨物的安息角。該型自卸車主要用于運載煤炭,煤炭的安息角為27°～ 45°,設(shè)計時最大舉升角取50°,在優(yōu)化過程中需要滿足這一約束條件。定義約束條件時首先定義一個“測量” (取名ME A_ AN GL E )以獲得仿真過程中的舉升角.
2 優(yōu)化計算
前述工作完成后便可進行優(yōu)化分析。在滿足約束條件的前提下,優(yōu)化程序在設(shè)計變量的取值范圍內(nèi)自動對其進行調(diào)整,最終得到使油缸力最小的設(shè)計變量值。軟件ADAMS /View 提供了一個友好的用戶界面,可以輸出各種力、位移、速度、加速度等曲線,便于用戶直觀了解在優(yōu)化過程中約束條件、目標函數(shù)等“測量”的變化情況。
本次優(yōu)化涉及十個設(shè)計變量,要在一次計算中同時對這么多的設(shè)計變量進行優(yōu)化,往往由于計算過程中各設(shè)計變量的取值產(chǎn)生矛盾,而使計算失敗。因此,對于這種設(shè)計變量較多的情況,應(yīng)先對部分設(shè)計變量進行優(yōu)化,得到一個優(yōu)化結(jié)果,再對其它設(shè)計變量進行優(yōu)化。
為了確定第一次優(yōu)化的設(shè)計變量,需要對每一個設(shè)計變量進行分析,研究其敏感度,即對目標函數(shù)的影響程度,選擇最高的變量作為第一次優(yōu)化的設(shè)計變量
3 結(jié)束語
本次優(yōu)化的結(jié)果,確定了關(guān)鍵點的坐標,也就確定了機構(gòu)的最佳尺寸。ADAMS仿真的另一個應(yīng)用是求出支點( A、B、C、F 點)的反力,為車架和車箱的結(jié)構(gòu)計算提供載荷條件。而舉升機構(gòu)的進一步有限元計算也可以在ADAMS中進行,這時要建立機構(gòu)的實體模型,通過CAE軟件(如Nastran、AN SYS等)轉(zhuǎn)換為中性文件,再導(dǎo)入ADAMS中計算。
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