液压挖掘机工作装置静力学模型集成优化设计.pdf

第 1 期 2 0 1 6年 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 5 7 液压挖掘机工作装置静力学模型集成优化设计 朱明娟 ， 纪爱敏 河海大学 机电工程学院， 江苏 常州2 1 3 0 2 2 摘要针对液压挖掘机工作装置的优化设计问题，对在铲斗挖掘工况下的工作装置轻量化进行 了研究，提 出利用 I S I G H T优化平台， 同时调用S o l i d w o r k s 和 A N S Y S的方法， 对挖掘机工作装置静力学模型进行集成优化。 采用全局优化算 法和梯度优化算法相结合的组合优化策略， 对设计问题进行智能化探索， 不断选择新的设计初始值， 从而进行 自动地仿 真和优化。 研究结果表明， 该方法不仅可以利用 I S I G H T优化软件自动搜索到满足工作装置性能要求的最优解， 而且在此 基础上， 进一步减小了工作装置的整体体积， 达到工作装置轻量化的目的。 为工程实际应用提供了一定的参考。 关键词 液压挖掘机 ； 工作装置 ； I sl GH T； 集成优化 中图分类号 T H1 6 ； T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 6 0 1 0 0 5 7 0 4 I n t e g r a t e d Op t i mi z a t i o n De s i g n f o r t h e St a t i c Mo d e l o f Hy d r a u l i c E x c a v a t o r At t a c h me n t s Z H U Mi n g - j u a n ， J 1 A i - mi n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， H o h a i U n i v e r s i t y ， J i a n g s u C h a n g z h o u 2 1 3 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n O n t h e h y d r a u l ic e x c a v a t o r att a c h m e n t s ，t h e r e s e a r c h a b o u t t h e a t t a c h me n t s ’ l i g h t w e i g h t u n d e r t h e c o n d i t i o n of b u c k e t d i g g i n g W a S p u t f o r w a r d ． A m e t h o d of u s i n g t h e I S I G H T o p t i miz a t i o n p l at f o r m t o c o m p r e h e n s i v e l y i n t e g r a t e S o l i d w o r k s a n d A N S Y S w a s i n t r o d uce d t o c o n d u c t a r t i n t e grat e d o p t i m iz at i o n o n t h e s t atic m o d e l o fh y d r a u l ic e x c a v ato r att ach me n t s ． A d o p t e d t h e h y b r i d o p t i m iz at i o n s t r at e g y o ft h e c o m b i n a t i o n b e t w e e n g l o b a l o p t i mizati o n a n d gra d i e n t o p t i miz ati o n t o i n t e l l i g e n t l y e x p l o r e t h e d e s i g n is s u e s ，a n d c o n t i n u o usl y s e l e c t e d n e w i n i t i al v alu e s t o c o ndu c t a a u toma t i c all y s i mu l ati o n a n d 0 D ， n ， k T he r e s u h s n d icate t h at t h is me t h o d c a n n o t o n l y use I S I GHT t i m iz atio n o j w ave t o aut o m a t ical l y s e arc h t h e o p t i m al s o l u t io n t o me e t t h e at t a c h m e n t s p e 矿 0 e r e q u i r e me n ts， b u t o n t h is b a s i s ， C anf u r t her md uce t h e o v e r a l l v o l u me oft h e att a c h m e n ts， a n d ach i e v e t h e a i m a t t h e at t ach men t s ’ l i g h t w e i g h t ， w h ic h p r o v i des s o m e r e f e r e n c e s f o r p r act ic al a p p l icat i o ns． ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r ； At t a c h m e n t s ； I S I GHT； I n t e g r a t e d Op t i mi z a t i o n 1引言 近年来，液压挖掘机的优化设计问题得到了越来越多学者 的关注和研究。 文献Ⅱ 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h 里面的拓扑优化模 块 ， 对挖掘机工作装置的动臂和斗杆进行减重优化， 进而使得总 体轻量化。文献呀U 用 V B编制优化程序， 对动臂和斗杆进行减重 优化。文献唰 用 A D A MS的优化功能对动臂和斗杆结构进行优 化。文献 采用一种离散单元法对挖掘机的挖掘轨迹进行优化研 究。文献 通过建立一个由不同指标构成的多目 标函数， 对挖掘机 的工作速度、 挖掘力等进行优化设计， 具有一定的指导意义。 文献[6 1 针对挖掘机动臂的约束中存在的不足， 提出一种文化算法对动臂 进行优化设计。 文献睬 用 A N S Y S中的优化模块对动臂进行轻鼠 化研究， 达到了动臂减重的目的。 但是上述大部分的研究仅对挖掘机的单个零部件进行优化 设计。 在实际工作中， 工作装置的各零部件之间是相互制约、 相互 影响的， 因此必须把它看成一个统一的整体进行优化分析 ， 这样 才有可能得到较为实用的优化设计方案。 采用 S o l i d w o r k s - A N S Y S I S I G H T的优化模式 ，对挖掘机工 作装置进行静力学模型的集成优化研究。 首先使用三维建模软件 S o l i d w o r k s 对工作装置进行实体建模。然后利用 A N S Y S 有限元 分析软件对模型进行简化、 完善和静力学分析。最后利用多学科 优化平台I S I G H T以及组合优化策略进行集成优化， 在满足性能 来稿 E t 期 2 0 1 5 -- 0 7 1 5 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 l 1 7 5 1 4 6 ； 江苏省高校研究生科研创新项I l K Y L X _ 0 4 2 8 ； - 河海大学中央高校基本科研业务费项目 1 4 B 1 0 1 2 6 作者简介 朱明娟， 1 9 9 0 一 ， 女， 江苏徐州人， 硕士研究生， 主要研究方向 机械零部件的多学科协同优化； 纪爱敏， 1 9 6 5 一 ， 男 ， 安徽人 ， 博士研究生 ， 硕士生导师， 主要研究方向 机械 C A C A E集成技术 ， 优化设计理论 ， 网络化设计研究 5 8 朱明娟等 液压挖掘机工作装置静力学模型集成优化设计 第 1 期 要求的前提下， 使得挖掘机工作装置的重量最轻。为挖掘机工作 装置的结构强度分析和优化设计提供了一定的参考。 2工作装置分析工况的选取 由于挖掘机工况众多， 选取一个比较典型的工况， 即铲斗挖 掘工况 ， 进行分析计算。 该工况下 ， 工作装置处于最深挖掘位置， 动臂液压缸全缩， 动臂位置处于最低处。 此时， 斗杆与斗杆液压缸 的铰接点、 斗杆与铲斗的铰接点及铲斗齿尖位于同一直线上并且 该直线垂直于挖掘面 。 该位置处 ， 铲斗中物料较多 ， 土壤挖掘阻力 较大， 动臂、 斗杆和铲斗的受力都很大。因此， 首先需要对该位置 进行静强度分析， 找出工作装置最大变形与最大受力， 从中得出 模型破坏的原因， 然后对工作装置进行优化， 使其模型参数的改 变既能满足性能要求， 又能获得工作装置的轻量化。 3工作装置模型的建立 3 。 1工作装置寅髓模型的建立 液压挖掘机工作装置主要由动臂、 斗杆和铲斗组成 ， 如图 1 所示。 在建模之前， 首先根据任务要求， 确定挖掘机工作装置的独 立设计变量 ， 然后确定建模的步骤和方法 。 根据相关文献 的统计 规律， 确定各个零部件尺寸之间的关系， 使用 S o l i d w o r k s 中方程 式功能对有函数关系的尺寸进行关联约束， 保留独立尺寸作为优 化设计变量 。 斗 图 1工作装置实体模型图 F i g ． 1 T he En t i t y Mo d e l o f At t a c h me n t s 在建模过程中， 去除模型中与模型总体参数相比很小， 对后 期进行有限元分析结果影响很小或可以忽略不计的细小特征， 如 倒角， 圆角， 螺纹， 小孔， 凸台等， 从而提高网格划分质量 ， 降低 有限元模型分析的复杂程度 。 图中A、 B、 C 、 D、 E 、 F 代表动臂、 斗 杆和铲斗上相对应位置的铰点。 3 _ 2工作装置有限元模型的建立 挖掘机工作装置的实体建模完成后，首先将其保存为 ． S l d a s m和 ． 格式 ，然后利用 S o l i d w o r k s 和A N S Y S的接口， 将 ．， 文件导入 A N S Y S中进行模型的简化， 包括 体的删除、 面及 以下元素的删除、 面的布尔运算、 油缸的建立等。 工作装置各板件由不同厚度的 1 6 M n钢焊接而成，其弹性 模量为 2 ． 0 6 E 1 1 P a ，泊松 比 0 - 3 ，密度 7 8 0 0 k g ／ m ，许用应力 3 4 5 MP a I “ ] 。挖掘机工作装置各铰接点处使用 MA S S 2 1 单元 ， 并 运用 * C E R I G命令进行刚性连接， 以模拟销轴运动。在 A N S Y S 中对工作装置各零部件添加单元、 属性 、 划分网格、 施加约束与 载荷 、 求解等。将分析结果输出为 ． o u t 文件， 并将 A N S Y S中的 命令流保存为 * ．1 g w文件， 为 I S I G H T集成 A N S Y S进行优化做准 备。 4工作装置静力学分析结果 在铲斗挖掘工况下， 挖掘机工作装置应力分布情况， 如图2 所示。从图 2中可以看出， 应力最大部位发生在动臂的下铰点隔 板位置， 此处由于交叉焊缝和结构的截面突变 ， 存在局部应力集 中现象， 因此需要对该处进行改进， 如增大隔板的厚度等， 使其性 能达到更优。由图可知， 工作装置的应力主要集中在 2 0 0 MP a 以 内， 最大的应力为 3 ．0 8 E 8 P a ， 小于材料的许用应力， 说明工作装置 设计的合理陛， 能满足工作的要求。 图 2工作装置应力分布图 Fi g ．2 Th e S t r e s s Di s t r i b u t i o n o f At t a c h me n t s 5工作装置的优化 为了使挖掘机工作装置的设计在满足性能要求的前提下 ， 能够减轻 自重 ， 从而节省材料 ， 降低成本， 提高工作效率 ， 使用 I S I G H T多学科优化平台同时集成 S o l i d w o r k s 和 A N S YS的方法 对挖掘机工作装置进行优化， 具体优化流程， 如图3所示。 图 3工作装置集成优化流程 图 F i g ． 3 Th e I n t e g r a t e d Op t i mi z a t i o n o f At t a c h me n t s 图中 ． S l d a s m， ．x _ t S o l i d w o r k s 的模 型文件 ， ． x _ t 与 ． 1 g w 一 起构成 A N S Y S的输入文件， ． o u t A N S Y S的输出文件， A n s y s ． b a t 一 脚本文件， 用于驱动 A N S Y S进行工作装置的静力学分析。 采用 I S I G H T中的组合优化策略[ 2 1 对挖掘机工作装置进行 优化 ，如图 4所示。首先应用全局优化算法 多岛遗传算法 MI G A 定位目标极值在设计空间所处的区域， 再应用梯度优化算 法 序列二次规划法 N T J P Q L 对该区域进行精确寻优， 最终获得最 佳 寸 结果。 该策略既发挥了全局优化算法在整体设计空间遍历方 面的优势， 能够陕速对设计敏感区域进行定位， 又发挥了梯度优化 算法在局部优化方面的优势， 能够精确地找到设计最优解。 No． 1 J a n ． 2 0 1 6 机械 设 计 与 制造 5 9 图 4工作装置组合优化模型 F i g ．4 T h e Hy b r i d Op t i mi z a t i o n Mo d e l o f At t a c h me n t s 6实例验证与结果分析 6 ． 1工作装置优化的数学模型 根据优化目标 在满足性能要求的前提下， 使得挖掘机工作 装置的重量最轻， 建立挖掘机工作装置优化的数学模型。挖掘机 工作装置的独立设计变量、 体积目标函数和性能约束条件 ， 如式 1 所示。 mi n f Vl s． t ． DOF - 0 ．01 MAX- 3 ．4 5 E8 2 4 0--x l --3 6 0， 4 5 0 -x 2 -6 5 0 1 2 0 0 _ x 3 1 6 O 0， 1 8 7 5-x 4 ≤ 2 5 0 0 0 ． 0 1 -wl - 0 ．0 2 ， 0 ．0 0 6 - w 2 - 0 ．01 0 ． 01 5 3 - 0 ． 0 2， 0 ． 02- w4 -- 0．03 0 ． 0 2-w5 - 0 ．0 2 5， 0 ． 0 0 6 _ w 6 -0 ． 0 1 0 ． O 1 -w7 -- 0 ．0 2， 0 ．O 0 4 w 8 -- 0 ．0 0 8 0 ． 0 06_w9 - 0 ． 01 [ l ， 2 ， 3 ， 4 ， W l ， W 2 ， W 3 ， W 4 ， W 5 ， W 6 ， W 7 ， W 8 ， W 9 ] 1 式中 挖掘机工作装置的设计变量集合 x中， 广 曰的长度； 厂 C D的长度； 玎 E F的长度； 厂一 动臂的宽度； 厂动臂的上 下盖板和铲斗的左右腹板的厚度； 广- 动臂的左右腹板的 厚度 ； 广 动臂的耳板的厚度； 埘 厂一 动臂的下铰点隔板的厚 度； 埘 广斗 杆左右腹板的厚度； 广 斗杆耳板的厚度； 广 铲 斗上下 盖板 的厚度 ； 一 斗杆上下 盖板 的厚度 ； 广 斗杆上 铰点隔板的厚度； D O F 挖掘机工作装置位移约束； M A x 一 挖掘机工作装置的应力约束； m i u 产挖 掘机工作装置的体 积目标函数； V 广挖掘机工作装置的体积。 6 - 2优化结果分析 I S I G H T在每次运行分析的过程中， 设计人员可以实时监控 输出响应的变化趋势及其最优目标值， 直至收敛完成， 如图5 、 图 6所示。从图中可以看出， 梯度优化是以全局优化的最优解为初 始值进行局部搜索， 进而找到挖掘机工作装置的整体最优解。挖 掘机工作装置优化前后的各参数的变化晴况， 如表 1 所示。由表 1 可见， 所用的优化设计方法在保证满足各项约束条件的前提下 挖掘机工作装置体积优化程度达到 2 1 ． 8 9 ％左右，保证了挖掘机 的挖掘性能， 减少了挖掘机工作装置制作的成本， 提升了工作装 置的总体工作性能。 O ．4 O ． 3 0 ． 2 0 ． 1 一 ’ 一 ’ O -2 3 O． 22 0 ．21 0． 2 0 ． 1 9 - 一 ● - - } ●■ - ■- ■ 一 ～ l I ． 1 ， 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 图 6 目标 局部优化迭代曲线 F i g ． 6 Th e L o c a l Opt i mi z a t i o n I t e r a t i o n Cu r e o f Ta r g e t V 表 1挖掘机工作装置优化前后比较 T ab ． 1 Th e Co mp a r is o n Be t we e n Be f o r e a n d Aft e r 0p t i mi z a t i o n o f At t a c h me n t s 7结论 1 基于 S o l i d w o r k s 三维建模 软件对铲斗挖掘工况下的挖掘 机工作装置进行实体建模 ，并通过 A N S Y S 有限元分析软件对其 进行简化、 完善、 分析和求解。由应力云图可知， 工作装置的初始 设计模型是合理的， 可以满足工作要求。 2 为了使工作装置在 满足应力 、 位移等性能要求的基础上， 其重量达到最轻 ， 选取工 作装置中的独立设计变量作为优化输入参数， 选取工作装置的体 6 0 机 械 设计 与 制造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 6 积参数作为优化输出响应， 并使用 I S I G H T建立优化模型。优化 结果表明，挖掘机工作装置的重量比优化之前有较大幅度的下 降， 可以大大减少生产成本。通过研究分析 ， S o l i d w o r k s A N S Y S I S I G H T的集成优化方法是正确且行之有效的。其对于今后的类 2 0 1 4 ， 2 8 8 3 1 0 3 3 1 1 1 ． [ 6 ] Hu a Ha i - y a n ， L i n S h u - w e n ， S h e n Z h e n h u i ．A n e w me t h o d o f t h e c o n s t r 一 似装置的静力学研究具有一定的借鉴作用， 也为下一步液压挖掘 [ 7 ] 机工作装置的协同优化奠定了很好的基础。 参考文献 [ 1 ] 陈艳．大型液压挖掘机工作装置轻量化研究[ D ] ．太原 太原科技大学， 2 01 4 4 7 7 2 ． C h e n Y a n ． R e s e a r c h o n l i g h t w e i g h t o f w o r k i n g d e v i c e o f l a r g e - d u t y h y d r - a u l i c e x c a v a t o r[ D ] ．T a i y u a n T a i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4 4 7 7 2 ． [ 2 ] 王亚兵． 反铲液压挖掘机工作装置结构与性能一体化设计研究[ D ] ．重 庆 重庆大学 ， 2 0 1 4 4 5 5 3 ． Wa n g Ya - b i n g ．I n t e g r a t e d d e s i g n a n d r e s e arc h o f b a c k h o e h y d r a u l i c e x c a v a t o r w o r k i n g a t t a c h m e n t ’ s s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e [ D ] ．C h o n g q i n g C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 4 4 5 5 3 ． [ 3 ] 详建． 挖掘机反铲工作装置优化设计及整机稳定 l生分析[ D] 厦 门 厦 门大学 ， 2 0 1 4 2 3 3 8 ． B u Xi ang- j i a n ． O p t i mi z a t i o n d e s i g n d e v i c e a n d ma c h i n e s t a b i l i t y a n a l y s i s 2 0 1 4 2 3 3 8 ． o f e x c a v a t o r b a c k h o e wo r k i n g [ D] ．X i a me n X i a m e n U n i v e r s i t y ， l 4 j Y o s h i d a T a t s u y a ， K o i z u m i T a k a y u k i ， T s u j i u c h i N o b u t a k a ， C h e n K a n ， N a k a mo t o Y o z o ． E s t a b l i s h m e n t o f o p t i mi z e d d i g g i n g t r a j e c t o r y f o r h y d r a u l i c e x c a v a t o r l C j ． P r o c e e d i n g s o f t h e 3 1 s t I MA C， A C o n f e r e n c e o n S t r u c t u r a l Dy n a mi c s ．Be r l i n ， Ge r ma n y Dy n a mi c s o f Ci v i l S t r uc t u r e ， 2 01 3 5 4 3 5 5 4 ． [ 5 ] K i m J o n g - w o n ， J u n g S e u n g m i n， K i m J i n u k ， K i m J o n g w o n ， S e o T a e - w o n ． Op t i ma l d e s i g n o f t h e f r o n t l i n k a g e o f a h y d r a u l i c e x c a v a t o r f o r mu l t i o b j e e t i v e f u n e t i o nl J J ． J o u r n al o f Me e h a n i c al S c i e n c e and T e c h n o l o gy ， a i n t s e x p r e s s i o n a n d h a n d l i n g f o r e x c a v a t o r b o o m s t ruc t u r a l o p t i mi z a t i o n I C 1 ．P r o c e e d i n g s o f 3 r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nMa n u f a c t u r i n g S c i e n c e and E n g i n e e r l n g ．X i am e n ， F u j i a n A d v anc e d Ma t e r i al R e s e a r c h ， 2 0 1 2 1 8 51 1 8 5 6 ． HuXi a o l i ， Wa n gJ i a n - h u a ， Zh a n gHu aHy d r a u l i ee x c a v a t o r bo o m l i g h t w e i g h t d e s i gn[ C ] ．P r o c e e d i n g s o f 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n F r o n t i e rs o f Ma n u f a e t u e i n g S c i e n c e o f Me a s u rin g Te c h no l o gy ．Gu i l i n， C h i n a Ap p l i e d Me c h an i e s a n dMa t e r i als ． 2 0 1 4 3 41 3 4 4 ． [ 8 ] 同济大学．单斗液压挖掘机[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社， 1 9 8 6 ． T o n i U n i v e r s i t y ．S i n g l e - 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