淺析虛擬樣機(jī)技術(shù)的自卸車舉升機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化論文
1 前言
在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中, 一般在完成概念設(shè)計(jì)、方案論證和產(chǎn)品設(shè)計(jì)后, 還要進(jìn)行樣機(jī)試制及驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用, 虛擬樣機(jī)技術(shù)逐漸成熟起來(lái)。借此工程技術(shù)人員可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型, 伴之以三維可視化處理, 模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性, 并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 以在設(shè)計(jì)早期確定關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)、縮短開(kāi)發(fā)周期, 降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。自卸車作為一種專用汽車, 其生產(chǎn)具有小批量、多品種的特點(diǎn), 根據(jù)用戶產(chǎn)品的特殊要求其舉升機(jī)構(gòu)有不同的結(jié)構(gòu)形式和性能指標(biāo)。這就要求生產(chǎn)廠家應(yīng)能根據(jù)用戶的需求迅速作出反應(yīng), 設(shè)計(jì)生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品來(lái)。使用虛擬樣機(jī)技術(shù)(軟件采用目前世界上著名的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS)對(duì)自卸車舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真參數(shù)化處理, 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 這樣不但可以大大加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度, 還可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)產(chǎn)品的定制。下面就以S T3140 型自卸車(舉升機(jī)構(gòu)為前推連桿放大式)為例, 對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳述。
2 建立自卸車舉升機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)
2 .1 建立自卸車的虛擬樣機(jī)模型
對(duì)于樣機(jī)的建模, 由于ADMAS 軟件的實(shí)體建模功能不強(qiáng), 所以筆者在UG 軟件中建立起自卸車的三維實(shí)體模型, 通過(guò)Parasolid 數(shù)據(jù)內(nèi)核將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ADAMS 中。而對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件如三角板、拉桿和油缸等, 直接在ADAMS 中建模。
2 .2 樣機(jī)模型的抽象
為了簡(jiǎn)化模型, 可將自卸車舉升機(jī)構(gòu)的樣機(jī)模型抽象成等效模型。:以車廂與副車架的鉸支點(diǎn)O 為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系, ABC 為三角板、BD 為拉桿、CE 為油缸。在A點(diǎn)三角板與車廂鉸接, 在B 點(diǎn)三角板與拉桿鉸接, 在C 點(diǎn)三角板與油缸鉸接, 在D 點(diǎn)拉桿與車廂鉸接, 在E 點(diǎn)油缸與副車架鉸接。ABCDE 、A′B′C′DE 分別為舉升機(jī)構(gòu)舉升前、后的位置。
2 .3 關(guān)鍵位置參數(shù)的初步確定
A 、B 、C 、D 、E 各點(diǎn)的坐標(biāo)選取是舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵, 一般的方法是根據(jù)作圖法和經(jīng)驗(yàn)法先確定一個(gè)初始值, 然后進(jìn)行優(yōu)化。這里筆者根據(jù)開(kāi)發(fā)的自卸車快速設(shè)計(jì)系統(tǒng) , 計(jì)算出初始位置。另外, 對(duì)于其他的重要位置參數(shù), 如副車架尺寸、車廂尺寸, 也都借助該設(shè)計(jì)系統(tǒng)得出。
2 .4 建模、仿真過(guò)程中的注意事項(xiàng)
在ADAMS 中建模時(shí), 注意將2 根拉桿和2塊三角板分別聯(lián)合成一個(gè)受力構(gòu)件, 統(tǒng)一設(shè)定約束, 否則樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行舉升。
3 對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析
借助ADAMS 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析主要包括:
�、俑缮娣治�。研究舉升機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件在舉升過(guò)程中有無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉, 受力是否合理;
�、谶\(yùn)動(dòng)分析。是否完成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)(即能否完成自卸), 在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中有無(wú)參數(shù)值的突變、仿真的驟停;
�、墼O(shè)置仿真輸出。使用ADAMS/PostProcessor對(duì)樣機(jī)各點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析, 輸出樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)——舉升力和舉升角之間的關(guān)系曲線, 并與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比較, 看是否符合設(shè)計(jì)要求。
若樣機(jī)無(wú)法完成運(yùn)動(dòng)仿真, 或在仿真過(guò)程中有異常(舉升力曲線發(fā)生突變), 則應(yīng)該檢查模型是否有多余的約束或運(yùn)動(dòng)副, 增加輔助分析工具,并進(jìn)一步完善模型, 直到運(yùn)動(dòng)仿真可以進(jìn)行。由于本項(xiàng)工作的初始位置來(lái)源于基于經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算的自卸車快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)仿真分析可知:樣機(jī)模型從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到達(dá)到規(guī)定的最大舉升角(50°)的舉升過(guò)程中無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉, 舉升力曲線沒(méi)有突變, 最大舉升力低于設(shè)定的200 kN，與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合, 可作為樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始位置。
4 樣機(jī)模型參數(shù)化
優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是, 在舉升質(zhì)量、最大舉升角不變的前提下, 改變?nèi)前�、拉桿等部件的結(jié)構(gòu)尺寸, 以獲得盡可能低的舉升力, 降低液壓系統(tǒng)的工作壓力, 實(shí)現(xiàn)油缸的經(jīng)濟(jì)選型。這就需要不斷地修改虛擬樣機(jī)模型, 而利用ADAMS/View 提供的參數(shù)化建模和分析功能, 可以避免大量的重復(fù)建模工作, 提高分析效率。
通過(guò)參數(shù)化建模, 將舉升機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的位置參數(shù)設(shè)置為可以改變的'變量。在分析過(guò)程中,只需改變其中一個(gè)或數(shù)個(gè)參數(shù)的數(shù)值, 程序就可以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其他部分跟著聯(lián)動(dòng)(構(gòu)件及其相關(guān)構(gòu)件的尺寸、形狀、質(zhì)量等都隨之變化), 自動(dòng)更新整個(gè)樣機(jī)模型。
選取這5 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo))進(jìn)行參數(shù)化處理, 將它們定義成設(shè)計(jì)變量, 使樣機(jī)模型成為有10 個(gè)設(shè)計(jì)變量的參數(shù)模型。
5 優(yōu)化設(shè)計(jì)及其優(yōu)化結(jié)果
優(yōu)化分析是ADAMS/View 提供的一種高級(jí)參數(shù)化計(jì)算、分析工具, 可對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在設(shè)定的變化范圍內(nèi), 通過(guò)分析程序自動(dòng)地調(diào)整設(shè)計(jì)變量, 求取舉升機(jī)構(gòu)的最佳布置位置(在該位置時(shí)的舉升力曲線峰值是各位置中最小的)。對(duì)舉升機(jī)構(gòu)的樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法有如下2 種:第一種是將各個(gè)設(shè)計(jì)變量同時(shí)考慮, 進(jìn)行仿真分析, 得出優(yōu)化結(jié)果, 這種方法在設(shè)計(jì)變量數(shù)較少時(shí)適用, 變量數(shù)較多時(shí), 其計(jì)算量太大;第二種方法是先分別對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)變量單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化分析, 研究各變量的靈敏度, 選取靈敏度最高, 即對(duì)設(shè)計(jì)影響最大的幾個(gè)位置變量進(jìn)行調(diào)整, 得出優(yōu)化結(jié)果, 該方法在設(shè)計(jì)變量較多時(shí)適用。由于設(shè)計(jì)變量多達(dá)10 個(gè), 因此選用第二種方法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算
先對(duì)10 個(gè)設(shè)計(jì)變量逐一進(jìn)行優(yōu)化, 得到各點(diǎn)位置的第一次優(yōu)化值, 同時(shí)得到各點(diǎn)的位置靈敏度值大小, 可知B 點(diǎn)的縱坐標(biāo)Y B , C 點(diǎn)的縱坐標(biāo)Y C 和E 點(diǎn)的橫坐標(biāo)X E 的位置靈敏度最高, 因此選取這3 個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化, 并根據(jù)第一次優(yōu)化的結(jié)果對(duì)其他參數(shù)做微調(diào), 從而得到各點(diǎn)位置的第二次優(yōu)化值。其結(jié)果如表1 所示。
在優(yōu)化前油缸的最大舉升力值和起始舉升力值分別為162 kN 和132 kN , 而在優(yōu)化后分別為116 kN 和108 kN , 各下降了28 .4 %和20 .7 %。優(yōu)化前舉升力隨舉升角的變化波動(dòng)較大, 達(dá)到最大舉升角時(shí), 舉升力上升明顯;而優(yōu)化后, 舉升力曲線走勢(shì)平緩, 較為理想。因此優(yōu)化后效果明顯, 完全符合計(jì)算要求。
6 結(jié)束語(yǔ)
利用ADAMS 軟件將自卸車舉升機(jī)構(gòu)建成虛擬樣機(jī)模型, 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真、參數(shù)化處理, 完成了對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉分析、受力分析和位置布置的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)早期便確定了舉升機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵位置參數(shù), 其結(jié)果形象直觀, 仿真效果良好, 為舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種方便、實(shí)用的分析方法。
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