基于ISIGHT的伸縮臂式叉裝車工作裝置輕量化設計

摘 要：叉裝車伸縮臂占整車工作裝置質量的較大比重，因此伸縮臂合理的結構設計就顯得尤為重要。首先建立了叉裝車工作裝置的結構模型，主要利用ISIGHT軟件搭建多目標優化平臺，預先結合靈敏度分析，選擇優化目標，搭建優化模型，并以減輕質量為主要目標，最終合理的選取最優解達到輕量化效果，從而確定了基本臂的最終優化結果以及其他剩余臂的結構尺寸，使伸縮臂的質量減輕了7.9%。

關鍵詞：伸縮臂；工作裝置；多目標優化；輕量化；靈敏度分析

前言

伸縮臂式叉裝車作為搬運、叉裝物資等作業的一種特種車輛，在工程領域受到愈來愈多的應用。叉裝車伸縮臂作為工作裝置的主要組成部分，在工作過程中承載較大的載荷，且其占整個工作裝置重量的較大比重，因此合理的叉裝車伸縮臂的結構設計就顯得尤為重要。文章主要根據伸縮臂的結構特點，并以伸縮臂截面尺寸為設計變量，以伸縮臂質量最小且最大復合應力，最大靜位移與最大局部穩定性復合應力也盡可能達到最小為優化目標，并滿足相應的強度、剛度、穩定性約束條件，利用ISIGHT軟件搭建多目標優化平臺，并利用鄰域培植多目標遺傳算法最終確定了各級臂的最終結構優化結果，有效的減輕了伸縮臂的質量。

1 伸縮臂式叉裝車工作裝置模型的建立

1.1 工作裝置的機構模型

文章研究的叉裝車伸縮臂共有Ⅰ（基本臂）、Ⅱ與Ⅲ級臂組成，末端裝有貨叉裝置，如圖1所示。

其工作裝置內部結構如圖2所示，各級臂的伸縮主要靠伸縮液壓缸驅動，工作裝置的整體變幅靠變幅液壓缸來驅動完成，各級臂之間運動的導向與作用力的傳遞主要靠導向滑塊來完成，末端執行貨叉部分可靠液壓缸驅動上下翻轉，從而進行對貨物的裝卸。

1.2 伸縮臂結構尺寸特點

叉裝車伸縮臂水平完全伸出長度為12.7m，各級臂截面形狀均為六邊形，其抗局部失穩能力較好，能夠更好的發揮出其承載性能，截面形狀如圖3所示。

2 叉裝車工況分析與選擇

此伸縮臂叉裝車工作裝置其變幅角度為-8°-68°，伸縮臂在工作過程中主要有滿載與空載兩種情況，其中滿載的典型工況共有三種，分別為各級臂均不伸出；Ⅱ臂伸出；Ⅱ級臂與Ⅲ級臂全伸出，具體描述如表1所示。

根據計算分析與經驗判斷，最大危險工況一般在伸縮臂水平伸出時的狀態出現，且Ⅰ級臂（基本臂）最危工況為工況2，Ⅱ級與Ⅲ級臂的最危工況出現在工況3，文章依據極限工況對各級臂結構進行了分析優化。由于伸縮臂工作裝置運動緩慢，因此可以忽略動載荷等慣性力的影響，只考慮靜載荷的作用。

3 優化模型的建立

3.1 優化方法與流程

文章通過利用三維建模軟件Pro/e建立了叉裝車伸縮臂的數模，并對相應的設計變量進行參數化，利用Ansys進行了相應的應力與應變位移的分析計算，吸取出相應的APDL語言，生成輸出文件，利用FORTRAN程序提取出相應的結果。整體利用多目標優化分析軟件ISIGHT集成調用相應的三維建模軟件與有限元分析軟件，搭建了全自動的多目標優化方法，有效的處理了大規模、多變量的連續變量類型設計優化問題，分析優化過程中首先確定了基本臂的優化結構尺寸，而后剩余幾級臂的結構尺寸便可以根據各級臂之間的間隙與導向滑塊的尺寸大小來進行確定，并對改進后的Ⅱ級與Ⅲ級臂在極限工況下進行相應的強度、剛度、穩定性的校核驗證，最終完成輕量化設計。

3.2 優化數學模型

對于Ⅰ級臂而言，其為典型的薄壁結構，在中性軸以下部位受到壓應力，剪切應力等復合作用的影響很容易局部失穩，所以局部穩定性是重要的考慮因素之一。

經計算分析，出現在下底板的局部穩定性許用應力[？滓cr]最小，且復合應力較大，最危險，這里[？滓cr]=？滓i，ccr /1.5，？滓i，ccr為臨界復合應力，安全系數取1.5[1]。

3.2.3 目標函數。

此次多目標優化的目標為使叉裝車伸縮臂Ⅰ級臂的質量最小而且最大復合應力最小，最大靜位移與最大局部穩定性復合應力也盡可能達到最小，其中質量最小為主要考慮的因素。

4 基于ISIGHT的多目標優化設計

4.1 試驗設計

利用試驗設計可以有效地研究輸入變量對輸出結果的相應影響關系，即可以看出各個設計變量對結果影響大小的排序情況，從而獲得相應對輸入變量的靈敏度分析結果[2]。文章利用優化拉丁方試驗方法進行了靈敏度分析，經一次試驗后，ISIGHT會擬合出標準的最小二乘多項式，通過擬合出的多項式系數來計算輸入與輸出的響應關系，并稱之為主效應，最終得出正則化的多項式系數，并以百分比的形式表達，即為pareto圖，如圖4所示。

如圖4所示，設計變量一次項表示該設計變量響應為線性主效應，二次項表示為二階主效應，交互項表示設計變量之間的交互效應。引入SSB=|SS/SB|，SSK=|SS/SK|，這里SS表示設計變量對截面面積的線性主效應，SB表示設計變量對最大復合應力的線性主效應，SK表示設計變量對最大靜位移的線性主效應。具體數值如表2所示。

經分析看出，設計變量？琢和R的SSB與SSK值的大小要明顯大于設計變量b的響應，其中，最小倍數也有8倍，設計變量b其SSB與SSK相應的值均小于1，即設計變量b對質量的改變效果作用不大，但對Dmax與Smax響應較大，也可以分析出，二階主效應各設計變量的響應比的絕對值基本相當，且設計變量b并不參與交互效應，而此次優化的主要目標為伸縮臂的質量，亦即橫截面面積，因此為了提高優化效率與效果，避免工藝的過多更改，因此最終選用？琢和R作為設計變量。

4.2 多目標優化設計

由于伸縮臂結構優化為多目標優化問題，且各子目標間存在矛盾性的情況，此時往往并不能找到唯一解，得到的解只能是在各個子目標之間進行權衡的解，這些解使各個子目標盡量的都達到最優。因此，最終得到的并不是單一目標的最優解，而是一組解，這組解即為pareto解，pareto最優解在多目標優化中常常為連續的多個解，這些解就構成了pareto前沿。在本次多目標優化過程中采用鄰域培植多目標遺傳算法（NCGA），它是對所得的解進行分組得到相應的種群，父代群體利用交叉和變異的方法進行相鄰繁殖得到子群體，并視各子目標權值相同，從而找到多個pareto解。種群經25代的進化，得到如圖5所示的三目標S、Smax與Dmax在三維空間坐標系下的pareto前沿解，其中每個點代表一個解，這樣的解共找到103個，經在三維空間坐標系下分析可以得出，S與Smax和S與Dmax基本成線性反比關系。在pareto前沿解中，根據本次優化的需求選取一解，由于本次優化的主要目標在于在保證各目標均在權衡最優值下使質量最小，因此在pareto前沿解中選用質量達到最小的一個解。

4.3 優化結果

可以得出，基本臂的最大復合應力與撓度值均有所增加，而Ⅱ級臂與Ⅲ級臂的最大復合應力與撓度值均在許用值范圍內，且滿足強度、剛度、穩定性的要求，經合理結構優化，最終使叉裝車伸縮臂質量下降7.9%。

5 結束語

（1）文章以叉裝車伸縮臂質量最小，最大靜位移與最大局部穩定性復合應力也盡可能達到最小為多目標，建立了伸縮臂式叉裝車工作裝置的優化模型與流程，搭建了基于多學科設計優化軟件的ISIGHT的多目標優化平臺，運用ISIGHT開展面向實用環境模擬的叉裝車工作裝置的多目標優化設計，實現了處理多變量的多目標設計優化問題。（2）經多目標優化，在pareto前沿解中，按需求選取了一個最優可行解，得到了叉裝車基本臂的幾何結構尺寸，進而確定了其他幾級臂截面結構尺寸，達到了對叉裝臂的合理優化，最終使叉裝車伸縮臂質量下降7.9%，驗證了此多目標優化的可行性。

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作者簡介：邱棟（1989-），男，碩士研究生，單位：河北工程大學，主要研究方向：有限元分析及輕量化。