引 言
近年來,隨著經濟的發展,市場對重型自卸車的需求量大大增加,這類自卸車廣泛應用于使用條件比較惡劣的礦山工地,舉升機構是自卸車的核心機構,設計時既要考慮運動學問題,又要考慮機構的強度問題。若舉升機構設計不當,容易發生結構的早期斷裂現象。自卸車的舉升機構可分為直推式和連桿組合式兩大類。直推式設計簡單,易于計算,但油缸行程長,一般采用多級油缸,成本高。連桿組合式油缸行程短,可采用單級油缸,制造工藝簡單,機構經優化后可得到較小的油缸力曲線,但由于其結構復雜,設計計算比較困難。
傳統的設計方法是采用“作圖法” ,效率低且精度差。近來出現利用計算機編制優化程序進行設計的一些方法,計算精度得到了提高,但程序一般只針對一種類型的舉升機構,程序通用性差而調試工作量大,如何保證程序的可靠性也是令人頭疼的問題。隨著CAE技術的成熟,虛擬樣機技術得到了廣泛應用,工程技術人員可以利用CAD軟件建立三維機構模型,在CAE軟件中對其施加鉸鏈及運動約束,模擬現實中的機構運動并進行仿真優化,得到所需的設計數據,精確度高并大大縮短開發周期,降低了成本。
采用世界一流的多體動力學仿真軟件—— ADAM S的虛擬樣機技術,對某汽車廠重型自卸車的浮動油缸式舉升機構進行仿真優化研究,目的是對原有機構進行優化,在給定舉升質量和滿足最大舉升角的前提下,改變機構尺寸,使油缸舉升力最小,降低油缸的制造成本。
1 虛擬樣機的建立
1. 1 建立模型
ADAMS軟件的建模能力不強,虛擬樣機的三維模型可利用Catia、UG等三維CAD軟件建立,再導入ADAMS軟件中。本次設計為了簡化模型、加快設計進度,在ADAM S直接建立圖1所示的抽象模型,并不影響計算結果。
長方體為裝載貨物的車箱,總質量為40 t,假設在工作過程中總質量不發生變化; A 為后鉸鏈點, BD為拉桿, CE為油缸, DEF為三角板。A～ F 點均為圓柱副連接,油缸CE由兩個連桿組成,相對運動為滑動副,施加平移驅動。施加運動副時,要注意其方向正確性并不得有多余約束,否則不能完成運動仿真。
要找到一個最佳位置,使油缸舉升力最小,并滿足自卸車其它方面的要求。各點的初始位置可以由原車型各點的設計位置來確定, A 點為原點。
1. 2 虛擬樣機的仿真
模型建立后進行一次仿真,油缸行程按850 mm,輸出油缸舉升力隨活塞行程的變化曲線(見圖2)。油缸舉升力最大值為( 6. 88× 105 ) N.
1. 3 模型的參數化
進行優化要定義設計變量,設計變量的值是可以改變的。以B～ F 點的x、y 坐標作為設計變量,當各點的坐標變化時,桿件和結構尺寸也發生相應的改變,系統自動修改模型,不需要人工干預,提高了優化效率。
定義設計變量的值時要注意它們的取值范圍,這個取值范圍取決于車箱底架及副車架的結構布置,并不與舉升機構產生干涉。將定義好的設計變量代入各點坐標中,即完成了虛擬樣機的參數化過程。
1. 4 建立約束條件
為了使自卸車能將貨物卸干凈,舉升角應大于貨物的安息角。該型自卸車主要用于運載煤炭,煤炭的安息角為27°～ 45°,設計時最大舉升角取50°,在優化過程中需要滿足這一約束條件。定義約束條件時首先定義一個“測量” (取名ME A_ AN GL E )以獲得仿真過程中的舉升角.
2 優化計算
前述工作完成后便可進行優化分析。在滿足約束條件的前提下,優化程序在設計變量的取值范圍內自動對其進行調整,最終得到使油缸力最小的設計變量值。軟件ADAMS /View 提供了一個友好的'用戶界面,可以輸出各種力、位移、速度、加速度等曲線,便于用戶直觀了解在優化過程中約束條件、目標函數等“測量”的變化情況。
本次優化涉及十個設計變量,要在一次計算中同時對這么多的設計變量進行優化,往往由于計算過程中各設計變量的取值產生矛盾,而使計算失敗。因此,對于這種設計變量較多的情況,應先對部分設計變量進行優化,得到一個優化結果,再對其它設計變量進行優化。
為了確定第一次優化的設計變量,需要對每一個設計變量進行分析,研究其敏感度,即對目標函數的影響程度,選擇最高的變量作為第一次優化的設計變量
3 結束語
本次優化的結果,確定了關鍵點的坐標,也就確定了機構的最佳尺寸。ADAMS仿真的另一個應用是求出支點( A、B、C、F 點)的反力,為車架和車箱的結構計算提供載荷條件。而舉升機構的進一步有限元計算也可以在ADAMS中進行,這時要建立機構的實體模型,通過CAE軟件(如Nastran、AN SYS等)轉換為中性文件,再導入ADAMS中計算。
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