基于ADAMS和ANSYS的液压举升机构优化与结构分析.pdf

1 9 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 4期 2 0 1 2年 4月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 4 0 1 9 2 - 0 3 基于 A D A MS和 A N S Y S的液压举升机构 优化与结构分析 水 胡晓乐 吴 晓 罗 薇周小科 西南交通大学 机械工程学院， 成都 6 1 0 0 3 1 Op t i mi z a t i o n d e s i gn a n d s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f h y d r au l i c e l e v a t i n g me c h a n i s m b a s e d o n ADAMS a n d ANSYS HU Xi a o l e， W U Xi a o， LUO W e i ， ZHOU Xi a o k e S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a 【 摘 要】 运用 S o l i d w o r k s 和 A D A M S 联合建立某桥梁检测车虚拟样机模型， 通过 A D A M S 虚拟样 机仿真对其作业工序进行 了分析， 找到最危险工况， 以此工况下液压缸拉力最小为优化 目标 ， 并通过灵 敏度分析确定设计变量， 优化举升液压缸铰点的位置 ， 优化后其所需最大拉力减小 2 1 ． 1 ％。在 A D A MS 中读取初始时刻的相关铰点的载荷值大小， 并根据铰点位置的变化改变相应支承结构。在 A N S Y S中对 翻转 台进行强度校核 ， 有限元分析结果显示， 优化后翻转 台应力、 应变均大幅下降， 翻转 台受力得到改 善， 验证 了优化设计的正确性。 关键词 举升机构 ； 虚拟样机仿真； A NS YS； 优化设计 ； 结构分析 【 Ab s t r a c t 】 A v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l o f b r i d g e i n s p e c t i n g v e h i c l e i s s e t u p b y u s i n g A D A MS a n d ANS YS， whi c h wo r k i n g pr o c e s s e s i s an a l y z e d t h r o u g h ADAMS v i r t u al pr o t o t y pe s i mu l a t i o n t o n d o u t t h e m o s t d ang e r o u s w o r k i n g c o n d i t i o n ． T h e n t h e h i n g e l o c at i o n of t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r f o r e l e v ati n g i s 0 lp m i z e d t a k i n g t h e s m a l l e s t p u l l i n g f o r c e a s o b j e c t t o d e t e r mi n e t h e d e s i g n v a r i a b l e s b y s e n s i t i v i t y a n al y s i s ． T h e o p t i mi z at i o n r e s u l t s s h o w t h at t h e m a x i m u m p u l l d e c r e a s e s b y 2 1 ． 1 ％A fie r w a r d s l o a d v alu e s of t h e r e - l ate d h i n g e po i n t s are r e a d at t h e i n i t i al t i me t h r o u g h ADAM S an d t h e s u p po r t i n g s t r u c t u r e s are c h a ng e d a c c o r d i n g t o t h e p o s i t i o n of t h e h i n g e p o i n t ． F i n al l y t h e s t ati c s F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s f o r t h e o v e r t u r n i n g p l at f o r m i s d o n e i n A N S Y S ， w h i c h r e s u l t ofi n d i c a t e s t h at s t r e s s and d e f o r m ati o n d e c r e ase l arg e l y a f t e r o p t i - m i z i n g ， t h e b e ari n g l o ad ofo v e r t u r n i n g p l a tf o r m i s i m p r o v e d a n d v a l i d i t y oft h e o p t i mu m d e s i gn i s v e r ifie d ． Ke y wo r d s El e v a t i n g me c h a n i s m ； S i mu l a t i o n o f v i r t u a l p r o t o t y p e ； ANS YS； Op t i mi z a t i o n d e s i g n； }S t r u c t u r a l a n a l y s i s ’； t 小小小m- ，t 1 、h i _， ， ． t ， i - ， j 、 。 、 m ， i 、 ‘ m f 坩 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 随着我国桥梁建设的飞速发展， 对专用的桥梁检测设备的 需求迅速增加。 桥梁检测车是一种可以为桥梁检测人员在检测过 程中提供作业平台， 装备有桥梁检测仪器， 用于流动检测和维修 作业的专用汽车， 具有广阔的市场『 1 1。 因此有必要对其进行运动学 和动力学仿真分析， 为提高其适用性能提供依据。某桥梁检测车 在使用过程中发现， 液压举升机构起升阶段， 举升油缸所需提供 的初始拉力过大， 针对这种情况， 建立虚拟样机模型， 对液压举升 机构进行了优化， 有效的解决了该问题。 2虚拟样机模型建立 桥梁检测车虚拟样机模型的建立步骤如下 1 修改每个 P a r t 的名字、 颜色等屙陛。 2 在不同P a r t 之间添加约束， 包括运动 副 低副、 基本副和高副 和驱动。 3 在 S o l i d Wo r k s 中， 通过查看各 零部件的质量屙『生得到其质量、 转动惯量和重心坐标等参数， 然后 在 A D A M S中输入各 P a rt的质量和转动f贯 量等信息，调整重心位 置。 4 在A D A MS中对虚拟样机进行自检， 查看自由度、 约束关系 和p a r t 的数量， 结果显示无冗余约束。桥梁检测车虚拟样机模型， 如图 1 所示。桥梁检测车工作全过程有 7 个作业步骤， 分别为 起 升 1 0 s 、 上部机构旋转 2 0 s 、 侧翻 4 0 s 、 打开工作平台 3 0 s 、 桁 架下降 3 0 s 、 工作平台回转 3 0 s 、 工作平台伸缩 2 0 s 。 图 1桥梁检测车虚拟样机模型 3举升油缸举升力分析 举 升初构简图， 如图 2 所示。 举于 胸 中， 平行机构前后杆在起 升过程中始终处于平行状态， 沿车身方向左右对称位置各有一个举 升机构油缸。当举升机构开始工作时， 举升机构油缸收缩， 拉动平行 机构前后杆转过一定角度， 当两杆与水平面成9 0 时起升阶段结束。 ★来稿日 期 2 0 1 1 - 0 6 1 3 ★ 基金项目 中央高校基本科研业务费专项基金 s wⅡu 0 9 c x 0 2 1 ， 中央高校基本科研业务费专项基金 s wJ T u 2 0 1 0 z T o 3 第 4期 胡晓乐等 基 于 A D A MS和 A N S Y S的液压举升机构优化与结构分析 1 9 3 7 图 2举升机构简图 1 ．水平伸缩油缸 2 ． 平行机构前杆 3 ． 举升机构油缸 4 ． 翻转台 5 ．平行机构后杆 6 ．举升架 7 ．桁架平台 对作业全过程进行虚拟样机仿真， 没置 t i H - e 1 8 0 , s t e p s 2 0 0 ， 测量举升机构油缸和举升架连接铰点处合力， 受力曲线如图 3 所 示。由图 3 可知， 在作业过程中举升油缸上铰点处受力最大值出 现在初始时刻， 从 6 0 ～ 1 8 0 s ， 铰点受力平稳 ， 其值相比初始时刻 较小， 因此对最危险工作状况下铰点受力进行优化。 l 0 o． O T i me s e c 图 3举升机构 与举升架连接铰点受力 曲线 4举升机构优化 4 ． 1模型参数化 为了对举升机构进行优化， 需对模型进行简化并参数化， 在 AD A MS中建立参数化模型的时候， 无需考虑模型外形的一致性， 只要保证参数化模型具有原模型的质量屙I生、 位置参数即可。在 A D AM S中建立各 p a r t ， 添加相应的运动副， 保证无冗余约束， 在 举升油缸活塞杆和缸筒之间创建移动副，设置驱动值为 s t e p t i m e ， 0 ， 0 ， 1 0 ， 6 6 0 o 给相应 p a rt添加质量信息， 在原虚拟样机模 型中， 上车部分是安装在底盘车上的， 现只对起弭 ’ 行分析， 为了减少计算 ， 将上车部分直接 与 g r o u n d 连 t j 饥构参数 化模型 ， 如图 4 所 示。 lk 1 4 5 艇 6 、 、 l 图4举升机构参数化模型 4 _ 2设计变量敏感度分析 按照要求， 保持 1 、 3 、 4 、 6四个 p o i n t 的位置不变， 因此考虑 优化 p o i n t 2和 p o i n t 5的位置。定义 p o i n t 2和 p o i n t 5的 、 y坐标 分别为 D V ．I 、 D V 一 2 、 D V 一 3和 D V _ 4 ，对 4个设计变量进行敏感 度分析， 结果如表 1 所示。从结果中可以看到， D V 一 3的敏感度最 小 ， D V 一 1 和 D V _ 4的敏感度较接近 ， D V 一 2的敏感度最大 。 另一方 面， 如图5所示， 从举升机构实际结构 来看， 举升架前部可以优 化 的空间很小 ， 且上下移动会对水平 伸缩油缸等结构产生影响 ， 所以综合考虑， 最终决定优化变量选择 D V 一1 和 D V一 2 13 1。 表 1设计变量范围和初始敏感度 图 5举升架前部结构 4 ． 3确定优化目标和约束 液压缸初始时刻长度为 2 8 6 5 m m， 最小安装尺寸为 1 9 6 5 ， 液 压缸行程为 6 6 0 ra m， 确定液压缸行程 H 的取值范围为 ， 液压缸 全长日 的取值范围。 建立测量函数对其进行测量， 各具体测量函 数程序如下 F UNCTI ON ME Al D M MA R K ER 一 9 ， MA RK E R _ 1 1 - 9 0 0 F UNCTI ON ME A 2 D M MA R KE R l 0 ， MAR K E R _ 8 - 2 8 6 5 F UNCTI ON ME A 3 3 0 0 一D M MA RK E R _ 9 ， MA R K E R _ 1 1 F UNCTI ON ME A 4 1 9 6 5 一 DM MAR K E R _ 1 0 ， MA RK E R 一 8 4 ． 4优化和结果分析 目标函数为初始时刻合力的最小值， 建立测量函数 J o i n t ～ 6 F 没置 t i me l 0 ， s t e p s 5 0 ， 采用 AD A MS ／ V i e w提供 的 O P T - D E S - S Q P 算法， 优化结果， 如图6 所示。优化后举升机构起升时作用力最大值 下降2 1 ． 1 ％优化效果比较明显， 油缸的受力情况有所改善， 得到了较 合理的举升机构模型。设汁参故前后对比， 如表 2 所示。 J O I N T _ 6 _ F 、 r i t e r l 、 I i i e r I l ～ ＼ I l t L I te i l ＼ 、 、 、 、 ＼ 、 1 ＼ ■ - 瓷 ．O ．O 2 O ． O 4 0 5 ．0 f ．0 7 ．O 8 O }． 0 1 T i me S e C 图 6优化结果曲线 表 2设计参数前后对比 O 5 A N S Y S 有限元分析 5 ． 1工况与加载分析 由实际经验和仿真结果可知， 在初始时刻， 举升油缸受力最 大 ， 这时翻转 台所受载荷最大 ， 因而变形也最为 明显 ， 因此选取最 危险的工作时刻， 在 A D A MS中读取初始时刻的各铰点的载荷值 大小， 用 A N S Y S对翻转台的应力、 应变进行校核。 5 5 5 5 5 5 O 0 眦 叭 眦 眦 的 0 X 帆 3 3 2 2 1