基于響應面法的廚余車提料臂輕量化設計

殷超，沈輝，孫明珠，張猛，韋夢圓，凌曦

基于響應面法的廚余車提料臂輕量化設計

殷超，沈輝*，孫明珠，張猛，韋夢圓，凌曦

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000）

為提高廚余垃圾車工作效率和性能，設計一種新型側裝式垃圾車的提料機構。在SolidWorks中建立提料機構三維模型并將其導入到ADAMS中進行運動學和動力學仿真，找到提料過程中的危險工況節點，對提料臂進行結構有限元分析和輕量化設計，分析結論已有效指導生產。

廚余垃圾車；提料機構；輕量化設計；仿真分析

1 前言

廚余垃圾車是提高廚余垃圾運輸效率和保護環境的特種車輛[1]。提料機構是廚余垃圾車的重要組成部件，國內外學者對提料機構液壓缸安放位置以及機構性能做了仿真研究，取得一些研究成果，但在輕量化方面提及較少。合理的優化設計對于提高提料機構效率，降低成本具有重要意義。

2 提料機構動力學仿真

提料機構的結構如圖1所示。主要由提料臂、頂蓋支架、液壓油缸、軌道、支撐架等組成[2]。在做動力學仿真時，根據提料機構實際運動情況設置驅動函數為STEP（time，0，0，8，420）[3]。仿真時間為8秒，步數為100。為使垃圾桶的運動過程更加清晰直觀，在垃圾桶質心處創建一個Marker點以得到垃圾桶質心在整個運動過程中的運動軌跡[4]。如圖2所示。垃圾桶質心運動軌跡主要由直線段和圓弧段組成與主導軌形狀一致。與實際提料過程垃圾桶運動軌跡相一致。

對提料機構中的提料臂和液壓油缸鉸接點、提料臂和拉桿鉸接點處受力情況進行仿真分析，仿真結果如圖3、圖4所示。在t=5.65s時，提料臂處于危險工況，提料臂受力最大，提料臂受拉桿的拉力為F1=1936N，活塞桿對提料臂的推力F2=18975N。

1-提料臂 2-頂蓋支架 3-液壓油缸 4-主軌道 5-副軌道 6-主支撐架 7-撐桿支架 8-拉桿 9-滑動支撐架 10-掛桶支架 11-垃圾桶

圖2 垃圾桶運動軌跡示意圖

圖3 提料臂與活塞桿鉸接處隨時間變化受力圖

圖4 提料臂與拉桿鉸接處隨時間變化受力圖

3 提料臂的優化設計

選用材料為Q345鋼，對提料臂進行網格劃分。由前述對提料臂危險工況的力學分析，分別在提料臂孔1處施加力F1=1936N，孔2處施加力F2=18975N，孔3處施加一個圓柱約束。同時設定各約束方向。提料臂受地球引力，取g=9.8m/s-2，G=261.2N，方向豎直向下。提料臂前處理如圖5所示。

圖5 提料臂網格劃分及約束圖

經限元分析，可以看出提料臂應力集中主要在整體中部與下部，尤其是鉸耳根部位置。最大等效應力為131.32Mpa，最大形變為0.0006567mm。在保證提料臂正常提拉功能的前提下，結合企業減重降本的需求對提料臂進行優化設計。

圖6 提料臂等效應力云圖和等效應變云圖

3.1 優化模型建立

優化設計模型包括：目標函數、設計變量、可行域和約束條件等。在SolidWorks中對提料臂建立參數化模型，如圖7所示。

圖7 提料臂參數化模型

選取提料臂的左大臂內圓弧直徑P1、左大臂外圓弧直徑P2、提料臂臂寬P3、鉸耳圓弧直徑P4、鉸耳圓弧直徑P5、提料臂臂厚P6等6個參數作為尺寸優化參數，即優化設計變量。優化設計變量選擇為[x1，x2，x3，x4，x5，x6]T=[P1，P2，P3，P4，P5，P6]。

在ANSYS Workbench中可以利用其Design Exploration模塊得到各個輸入參數關于輸出參數的敏感度。如圖8所示。

圖8 參數敏感性

由圖可以看出各個參數對于輸出變量的影響不同。其中P3對于質量的正向敏感度最大，P1對于質量的負向敏感度最大。同時P3對于最大等效應力和最大等效應變負向敏感度最大，P1對于最大等效應力和最大等效應變正向敏感度最大。其余各個輸入參數對于三個輸出變量均存在敏感響應，故P1，P2，P3，P4，P5，P6+均為設計變量。

3.2 目標函數和設計變量確立

提料臂參數化設計的目的是在保證提料臂正常工作的前提下，也就是最大等效應力和最大等效應變在材料允許范圍之內，盡量減小減輕其質量。因此目標函數為：

M（x）min= f（X1，X2，X3，X4，X5，X6） （1）

其中Xi=Pi，i=1.2.3.4.5.6；M（x）為質量關于關于設計變量的函數；P1，P2，P3，P4，P5，P6+為各設計變量。

3.3 可行域確立

根據優化設計選項并結合工程經驗，允許各參數在初始值基礎上浮動±10%進行優化計算。

3.4 約束條件確定

根據提料臂設計要求和所用材料的屬性，給出相應的約束條件：V（x）max≤172.5Mpa，其中V（x）為等效應力目標函數最大值。

3.5 響應面優化設計

響應面優化系統（Response Surface Optimization）是DX中基于響應面結果的目標驅動優化系統，可以從響應面結果中自動獲取最優的備選設計方案[6]。基于以上的優化參數模型，采用ANSYS Workbench中的Response Surface Opitimiza -tion模塊進行試驗分析，采用中心復合設計法生成了45個設計樣本點。每一個設計點即是一種設計方。

為了進一步探究設計變量與優化目標之間的關系，利用生成的45個樣本點，擬合構造設計變量與優化目標的響應面。現以P2，P4，P5，P6不變，分別生成P1，P3對質量最大等效應力、最大等效應變的響應曲面，如圖9所示。

圖9 參數響應面圖

表1 優化方案

由圖可以看出質量隨P1增大而減小，隨P3增大而增大。最大等效應力和最大等效應變均隨P1增大而增大，隨P3增大而減小，此結果和參數靈敏度分析一致。基于以上分析，采用目標驅動優化中的篩選法，設定樣本數為10000，以最大等效應力、最大等效應變和質量為優化目標進行Pareto 最優解集的搜索。在優化時賦予質量的權重最高，最大等效應力次之。求解完成后得到一組Pareto最優解集，同時得到提料臂質量、最大等效應力及最大等效應變個目標函數的權衡圖從Pareto前沿中選取3 個最優解作為備選優化設計點，優化結果如表1所示。

提料臂的優化重點在于減輕質量，提高安全系數，綜合對比三種方案后，方案2在與其他方案減重相差無幾的情況下，在減小最大等效應力和最大等效應變上有明顯優勢。

結合實際生產和選材，將方案二的參數進行微調，結果如表2所示。

表2 方案對比

根據優化結果，微調方案二比原方案質量減輕了11.2%，最大等效應力減小了12.8%，最大等效應變減小了29.2%。實現了最初的優化目標。

4 樣機試制

物理樣機如圖所示，實驗器材如下：海沃HFC205環衛車一輛、提料系統物理樣機，測速儀、加速度儀及三坐標測量儀。首先進行空載試驗，確定其能順暢完成提料循環，再加入約240kg水代替垃圾進行試驗。

圖10 樣機試驗圖

經觀察，實驗過程中無水漏出現象；工作過程平穩、無卡滯異響；卸料干凈徹底。試驗后觀察樣機部件，如產生變形，可用三坐標測量儀測量變形量。提料系統在回落過程中出現震動現象，可通過加裝緩沖墊片解決該問題。

5 總結

（1）采用三維設計軟件Solidworks對垃圾車提料機構進行三維建模，運用Adams虛擬樣機技術對該機構進行運動學和動力學分析，驗證了機構設計的合理性并找出機構核心部件提料臂的危險工況位置用Ansys Workbench進行有限元分析。

（2）在Ansys Workbench中建立提料臂的優化模型，引入靈敏度分析確定優化變量，采用響應面優化法以質量，最大等效應力，最大等效應變為目標進行多目標優化，優化后提料臂質量減輕了11.2%，最大等效應力減小了12.8%，最大等效應變減小了29.2%。達到了產品的輕量化目的。

[1] 閔海華,劉淑玲,鄭葦,王琦,康建邨.廚余垃圾處理處置現狀及技術應用分析[J].環境衛生工程,2016,24(06):5-7+10.

[2] 孫洪山.一種小型側裝壓縮式垃圾車的結構設計[J].專用汽車, 2014(05):102-104.

[3] 王福興,柏山清.基于Solidworks的Adams的仿真應用[J].南方農機,2017,48(10):112.

[4] 韓以倫,郭喚喚,鄭輝.垃圾車提料機構ADAMS和MATLAB聯合仿真研究[J].機械設計與制造,2018(07):184-187.

[5] 程彬彬,黃美發,吳常林,吳芬,劉思遙.基于ANSYS Workbench的龍門銑床橫梁多目標優化設計[J].組合機床與自動化加工技術, 2015(02):10-12+16.

[6] 曾漾,周俊,沈志遠,于梓賢,陳昊,郁榮.基于響應面法的復合材料艙壁結構優化設計[J/OL].重慶大學學報:1-7[2020-06-15].

Light Weight Design of Kitchen Waste Truck's Lifting Arm based on Response Surface Method

Yin Chao, Shen Hui*, Sun Mingzhu, Zhang Meng, Wei Mengyuan, Ling xi

（School of mechanical engineering, Yangzhou university, Jiangsu Yangzhou 225000）

In order to improve the efficiency and performance of kitchen waste garbage truck, a new kind of material lifting mechanism of side loading garbage truck was designed. The three-dimensional model of the lifting mechanism is established in SolidWorks and imported into ADAMS for kinematics and dynamics simulation, so as to find out the nodes of dangerous working conditions in the process of lifting, carry out the finite element analysis of the lifting arm structure and carry out the lightweight design, and the analysis conclusion has effectively guided the production.

Kitchen waste garbage truck;Lifting mechanism;Simulation analysis; Lightweight design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.017

U463.32

B

1671-7988(2021)04-56-04

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殷超，碩士研究生，揚州大學機械工程學院，研究方向：車身結構與流體研究。

沈輝，揚州大學機械工程學院。