基于虛擬樣機(jī)的自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

苑伍德，羅坤，楊成倫，劉大維

(1. 青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；2. 中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

自卸汽車是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)構(gòu)從而驅(qū)動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)傾斜到一定角度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸貨，并靠自重回位的工程車輛，廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜路況的運(yùn)輸工作。舉升機(jī)構(gòu)作為自卸汽車的核心機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到自卸車的使用性能。因此舉升機(jī)構(gòu)的分析、優(yōu)化對(duì)于自卸汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)具有重要意義[1]。

T式舉升機(jī)構(gòu)在自卸汽車中應(yīng)用廣泛，對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，早期主要采用作圖法進(jìn)行分析。這種方法工作量大，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中需要多次進(jìn)行復(fù)雜的作圖分析計(jì)算，而且精度較差。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些學(xué)者和企業(yè)開(kāi)始利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來(lái)開(kāi)展產(chǎn)品的性能研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究工作[2-10]。通過(guò)虛擬樣機(jī)模型在設(shè)計(jì)階段就能完成預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，不僅縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，而且能夠大幅減少研發(fā)成本。基于此，本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)T式自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，獲得舉升機(jī)構(gòu)主要鉸接點(diǎn)的最佳位置，為自卸汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新途徑，同時(shí)也為提高舉升機(jī)構(gòu)的工作性能提供了依據(jù)。

1 T式舉升機(jī)構(gòu)的建模與仿真

1.1 T式舉升機(jī)構(gòu)建模

本文將T式自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖1所示的模型。該機(jī)構(gòu)主要由液壓油缸CD、三角臂ABC、拉桿臂BE等組成。以車箱與副車架的鉸支點(diǎn)O點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，車箱與三角臂的A鉸接點(diǎn)鉸接，油缸一端與三角臂的C鉸接點(diǎn)鉸接，另一端與副車架在B鉸接點(diǎn)鉸接；拉桿一端與三角臂在B鉸接點(diǎn)鉸接，另一端與副車架在E鉸接點(diǎn)鉸接。ABCDE、A′B′C′DE分別為舉升機(jī)構(gòu)舉升前、后的位置。

圖1 T式舉升機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)T式舉升機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖，在Pro/E軟件中創(chuàng)建了舉升機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入到ADAMS/View環(huán)境中，并在ADAMS/View環(huán)境下對(duì)樣機(jī)幾何模型添加質(zhì)量信息以及約束[11]。圖2為在ADAMS/View環(huán)境中建立的自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型。在模型中，副車架與車箱、三角臂與車箱、三角臂與拉桿、三角臂與油缸活塞桿、油缸與副車架、拉桿與副車架的相互約束關(guān)系均定義為平面轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行約束；活塞桿與油缸的相互約束關(guān)系定義為平面移動(dòng)副進(jìn)行約束。

圖2 T式舉升機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

1.2 T式舉升機(jī)構(gòu)仿真分析

在進(jìn)行T式舉升機(jī)構(gòu)仿真分析過(guò)程中，設(shè)定車箱滿載質(zhì)量為30t。由于液壓油缸為單節(jié)，且推桿相對(duì)于油缸作勻速移動(dòng)，因此在液壓油缸與油缸推桿之間的移動(dòng)副上施加一個(gè)速度驅(qū)動(dòng)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間為20s，仿真步數(shù)為2000步，對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[11]。仿真得到的油缸驅(qū)動(dòng)力和車箱舉升角之間的關(guān)系曲線如圖3所示。油缸驅(qū)動(dòng)力最大值為738.22kN，與以往經(jīng)驗(yàn)相比，該油缸驅(qū)動(dòng)力最大值較大；油缸驅(qū)動(dòng)力最大值出現(xiàn)在初始位置，與理想油壓曲線不相符，容易對(duì)液壓元件造成較大的沖擊，會(huì)減少元件的使用壽命。

圖3 油缸驅(qū)動(dòng)力變化曲線

2 舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 目標(biāo)函數(shù)

舉升機(jī)構(gòu)中最重要的是液壓油缸的動(dòng)力源，故使得液壓油缸驅(qū)動(dòng)力最小而且能完成整個(gè)舉升過(guò)程是想達(dá)到的理想結(jié)果。T式舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)為舉升機(jī)構(gòu)在有效的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)液壓油缸作用力最小。利用ADAMS/View軟件將舉升過(guò)程中的液壓油缸驅(qū)動(dòng)力最大值最小化作為T式自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即：

minF(X)

(1)

式中：F(X)為目標(biāo)函數(shù)；X為設(shè)計(jì)變量，X=(DV_1，DV_2，…，DV_n)，n為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)。

2.2 設(shè)計(jì)變量

通過(guò)優(yōu)化舉升機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)的位置可以有效改善油缸的驅(qū)動(dòng)力大小。因此，將舉升機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)對(duì)各鉸接點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立T式舉升機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，以便于比較不同參數(shù)對(duì)舉升機(jī)構(gòu)在舉升過(guò)程中產(chǎn)生的油缸驅(qū)動(dòng)力大小的影響。

根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)和舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，確定參數(shù)化的設(shè)計(jì)變量為以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：三角臂與車箱連接鉸鏈點(diǎn)A、三角臂與拉桿臂連接鉸鏈點(diǎn)B、三角臂與活塞桿連接鉸鏈點(diǎn)C、油缸與副車架連接鉸鏈點(diǎn)D和拉桿臂與副車架連接鉸接點(diǎn)E的y、z坐標(biāo)(見(jiàn)圖1)，共10個(gè)設(shè)計(jì)變量。

2.3 約束條件

根據(jù)舉升機(jī)構(gòu)的工作情況，在保證驅(qū)動(dòng)速度與仿真時(shí)間不變的前提下，利用ADAMS/View的軟件環(huán)境，從舉升機(jī)構(gòu)的最大舉升角與邊界條件對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行約束，以期在滿足約束條件的前提下，獲得最佳優(yōu)化目標(biāo)[12]。

1) 為了保證T式舉升機(jī)構(gòu)能將貨物卸載干凈，舉升角度應(yīng)該大于貨物的安息角。以自卸車舉升角 ( 車箱相對(duì)于副車架的轉(zhuǎn)角) 等于48°為約束條件，對(duì)ANGLE建立約束函數(shù)G2(X)為

G2(X)=48°-ANGLE≤0

(2)

2) 根據(jù)T式舉升機(jī)構(gòu)尺寸和布置要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中各設(shè)計(jì)變量允許變化范圍如表1所示。

表1 舉升機(jī)構(gòu)各設(shè)計(jì)變量變化范圍

3 優(yōu)化計(jì)算與結(jié)果分析

ADAMS/View提供OPTDES -GRG (廣義簡(jiǎn)約梯度算法)和OPTDES-SQP (二次規(guī)劃算法)兩種優(yōu)化算法，由于OPTDES-GRG算法的通用性、有效性和可靠性等在各類非線性規(guī)劃中都是較突出的，所以本文采用OPTDES-GRG算法[13]。此算法可以在某方向微小位移下保持約束的有效性，其特點(diǎn)是尋優(yōu)時(shí)沿邊界進(jìn)行搜索，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解往往位于邊界上。

3.1 T式舉升機(jī)構(gòu)的第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用Design Study參數(shù)化分析方法對(duì)自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保持其余設(shè)計(jì)變量恒定的基礎(chǔ)上，分別對(duì)DV_1-DV_10共10個(gè)設(shè)計(jì)變量依次進(jìn)行參數(shù)化分析，完成舉升機(jī)構(gòu)的迭代優(yōu)化仿真分析，從而獲取DV_1-DV_10共10個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值位置對(duì)于液壓油缸驅(qū)動(dòng)力的敏感度。敏感度定義為油缸驅(qū)動(dòng)力相對(duì)于設(shè)計(jì)變量的變化率。

通過(guò)對(duì)自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)的第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)，在ADAMS/View軟件中得到DV_1-DV_10共10個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值位置對(duì)于液壓油缸驅(qū)動(dòng)力的敏感度大小，第一次優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 第一次優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)果

由表2可知，通過(guò)第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的DV_3、DV_5、DV_7、DV_8和DV_9共5個(gè)設(shè)計(jì)變量在初始值位置對(duì)于液壓油缸驅(qū)動(dòng)力的敏感度較大，故將這5個(gè)設(shè)計(jì)變量作為新的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行T式舉升機(jī)構(gòu)的第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 T式舉升機(jī)構(gòu)的第二次優(yōu)化

采用Optimization參數(shù)化分析方法對(duì)自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的允許變化范圍，通過(guò)ADAMS/View軟件中提供的OPTDES-SQP優(yōu)化算法，在滿足約束條件的前提下，獲得液壓油缸驅(qū)動(dòng)力最大值最小時(shí)的參數(shù)組合。

通過(guò)對(duì)舉升機(jī)構(gòu)的第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到DV_3、DV_5、DV_7、DV_8和DV_9共5個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化值(見(jiàn)表3)。

3.3 T式舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化前、后結(jié)果對(duì)比

通過(guò)ADAMS/View軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊完成對(duì)自卸汽車T式舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果值確定了優(yōu)化后T式舉升機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)位置坐標(biāo)，優(yōu)化前、后舉升機(jī)構(gòu)中油缸驅(qū)動(dòng)力的輸出曲線如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前、后油缸驅(qū)動(dòng)力輸出曲線

由圖4可知：車箱舉升過(guò)程中，在相同的驅(qū)動(dòng)速度與仿真時(shí)間條件下，液壓油缸驅(qū)動(dòng)力最大值由優(yōu)化前的738.22kN降低到564.53kN，降低了23.5%，優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化前油缸驅(qū)動(dòng)力最大值出現(xiàn)在初始位置，優(yōu)化后油缸驅(qū)動(dòng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，油缸驅(qū)動(dòng)力最大值出現(xiàn)在舉升角為3.6°時(shí)，避免了初始油壓值過(guò)大的狀況，有利于延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)T式自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)建立虛擬仿真模型，采用ADAMS軟件自帶的OPTDES-GRG算法，以舉升機(jī)構(gòu)液壓缸作用力最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后舉升機(jī)構(gòu)在舉升過(guò)程中所需的液壓油缸最大驅(qū)動(dòng)力比優(yōu)化前降低了23.5%。有利于提高機(jī)構(gòu)的可靠性，延長(zhǎng)舉升機(jī)構(gòu)的使用壽命；研究結(jié)果為舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供參考依據(jù)。