基于仿真的工程自卸車舉升機(jī)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計

1、基于仿真的工程自卸車舉升機(jī)構(gòu)有限元優(yōu)化設(shè)計摘要：在SolidWorks環(huán)境下。建立工程自卸車馬勒里舉升機(jī)構(gòu)的仿真模型，并對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。將仿真技術(shù)、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，對舉升機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和輕量化設(shè)計，對舉升機(jī)構(gòu)中的三角板進(jìn)行形狀尺寸優(yōu)化后，在質(zhì)量減輕548 kg的情況下，應(yīng)力水平僅增加61 MPa，小于許用應(yīng)力，完全能夠滿足舉升工作要求。（關(guān)鍵詞：自卸車；舉升機(jī)構(gòu)；仿真；有限元；優(yōu)化）組合連桿式舉升機(jī)構(gòu)在自卸汽車中應(yīng)用廣泛，早期主要采用復(fù)變函數(shù)理論或三角函數(shù)理論對這種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和動力學(xué)進(jìn)行分析，然而這種方法比較繁雜，當(dāng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改后，要重復(fù)整個復(fù)雜的計

2、算過程，效率較低，產(chǎn)品開發(fā)周期較長。本文以某種自卸車為例，通過仿真技術(shù)、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的聯(lián)合運(yùn)用，來實現(xiàn)對舉升機(jī)構(gòu)零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量。一.概述本文所述自卸車車廂尺寸為4000mm×2 000mm×600 mm(長×寬×高)，整車質(zhì)量4000 kg，滿載質(zhì)量9500 kg，最大設(shè)計舉升角560。舉升機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示，主要由車廂、三角板、支撐桿聯(lián)接法蘭、液壓缸和副車架等組成。其中三角板的運(yùn)動和受力最為復(fù)雜，它既要將液壓缸的推力傳遞給車廂，同時又要承受車廂的作用力，是自卸車舉升機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件。本文將建立該舉升機(jī)構(gòu)的虛擬樣

3、機(jī)，然后采用COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動仿真，并把運(yùn)動過程中的零件的受力輸出給COSMOSWorks進(jìn)行分析，以得到三角板在任一時刻的最大應(yīng)力點(diǎn)，進(jìn)而得到整個舉升過程中的最大應(yīng)力和對應(yīng)的舉升瞬間角度，再進(jìn)一步對該瞬間進(jìn)行分析，結(jié)合有限元優(yōu)化技術(shù)對三角板進(jìn)行輕量化設(shè)計。二.仿真模型的建立首先抽象出系統(tǒng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)，建立幾何模型，然后根據(jù)系統(tǒng)各零部件的運(yùn)動規(guī)律確定其約束關(guān)系，施加約束副，最后施加力驅(qū)動或運(yùn)動驅(qū)動，進(jìn)行仿真分析。2.1建立舉升機(jī)構(gòu)等效模型舉升機(jī)構(gòu)的等效模型如圖2所示，以車廂與副車架的鉸支點(diǎn) O 為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，ABC為三角板，BD為支撐桿聯(lián)接法蘭，CE為液壓缸。三角板與車廂鉸接于

4、A點(diǎn)，與支撐桿聯(lián)接法蘭鉸接于B點(diǎn)，與液壓缸鉸接于C點(diǎn)；支撐桿聯(lián)接法蘭與副車架鉸接于D點(diǎn)，E點(diǎn)為液壓缸與副車架的鉸接點(diǎn)。ABcDE、ABCDE所組成的機(jī)構(gòu)分別代表舉升機(jī)構(gòu)處于舉升前、后時的狀態(tài)。利用SolidWorks 2007的帶機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬的二維草圖設(shè)計功能，根據(jù)車廂轉(zhuǎn)角、液壓缸擺角和液壓缸伸縮量的大小隨坐標(biāo)參數(shù)的動態(tài)變化結(jié)果，以及有無干涉情況的檢查，選擇符合設(shè)計要求的相對最佳的機(jī)構(gòu)連接點(diǎn)參數(shù)，調(diào)整后的各點(diǎn)坐標(biāo)如表l所示。調(diào)整后的貨廂最大舉升角為57°，液壓缸行程為790mm。表1舉升機(jī)構(gòu)各連接點(diǎn)坐標(biāo)2.2運(yùn)動仿真及結(jié)果分析二維草圖設(shè)計功能，無法獲取零部件在運(yùn)動過程中的受力狀況，以

5、及更詳細(xì)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，因此，還需通過三維仿真來獲取，并進(jìn)一步驗證參數(shù)選擇的合理性。假設(shè)在舉升過程中，車廂的質(zhì)量不發(fā)生變化，考慮懸架動態(tài)變化，車廂自重及超載情況，實際按8t作為舉升質(zhì)量進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和受力分析。創(chuàng)建約束副：車廂在0點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)副固結(jié)在車架；三角板在A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)副分別與車廂、支撐桿聯(lián)接法蘭和活塞桿聯(lián)接；液壓缸缸體在D點(diǎn)通過旋轉(zhuǎn)副固結(jié)在車架，與活塞桿用移動副聯(lián)接。由于各構(gòu)件間的摩擦力相對于各構(gòu)件所受的壓力所占比例很小，本例不考慮摩擦。創(chuàng)建驅(qū)動：假定驅(qū)動油泵在工作過程中轉(zhuǎn)速不變，由于液壓缸為單節(jié)，則活塞相對缸體勻速移動，所以在移動副中創(chuàng)建直線驅(qū)動，總行程790 mm，仿真

6、時間是20s，總步數(shù)為320步，對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3-圖7所示。由圖4可知，在舉升到約3 s時(參見圖3，舉升角度約70)，液壓缸最大推力為162554 N。隨后，在舉升過程中，活塞桿的推力逐漸減小，曲線很接近圖5所示的理想油壓特性曲線，說明本機(jī)構(gòu)設(shè)計比較合理。由圖6可知，支撐桿聯(lián)接法蘭對三角板最大作用力發(fā)生在舉升時間約16 s時(舉升角約40)，數(shù)值103 833 N，隨后逐漸減小。由圖7可知，三角板對車廂最大推力也發(fā)生在舉升時間約為16 s時，左右兩側(cè)均為38 794 N。隨后，三角板對車廂作用力逐漸減小。圖4、圖6、圖7的仿真結(jié)果對支撐桿聯(lián)接法蘭、三角板、液壓機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計及

7、對車廂底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了數(shù)值依據(jù)。三.對三角板的有限元分析3.1設(shè)計分析三角板在鉸支點(diǎn)A受到車廂的壓力，在鉸支點(diǎn)C受液壓缸的推力，在鉸支點(diǎn)曰對支撐桿聯(lián)接法蘭有壓力。三角板受力狀況隨其位置變化而變化，采用傳統(tǒng)的解析法對其進(jìn)行應(yīng)力分析，難度很大。另外，三角板本身自重，也會對三角板的應(yīng)力、應(yīng)變和位移產(chǎn)生一定影響，與參考文獻(xiàn)【1】、【3】不同，本文不忽略。根據(jù)虛擬樣機(jī)模型確定的連接尺寸，以及設(shè)計經(jīng)驗，初步建立三角板的實體模型，如圖8所示，并使用COSMOSWorks進(jìn)行有限元分析，材料采用ZG270-500，材料屬性如表2所示。通過COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動仿真和COSMOSWorks輸入運(yùn)動

8、載荷功能，可在多個時刻輸入運(yùn)動載荷。分析這些瞬間狀態(tài)的三角板零件，可以確定三角板上產(chǎn)生最大應(yīng)力的關(guān)鍵時刻和位置。通過對圖4、圖6和圖7的受力分析可知，三角板最大受力情況應(yīng)發(fā)生在舉升角為20。以內(nèi)時，對應(yīng)舉升時間為前8 s。現(xiàn)每隔0.5 s將這前8 s劃分為17組，進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：在舉升過程中，最大Von Mises應(yīng)力最可能出現(xiàn)在第6組(畫面時間第3 s，舉升角約為7°時)。3.2三角板的靜態(tài)分析在最大Von Mises應(yīng)力情況下的第6組，對三角板執(zhí)行詳細(xì)的靜態(tài)分析。由圖10、圖1l可知三角板的最大應(yīng)力值為1519 MPa，小于許用應(yīng)力225 MPa。最大靜

9、態(tài)位移尚未達(dá)到設(shè)計要求所取的最大靜態(tài)位移量25 mill，且主要發(fā)生在與車廂連接的鉸接孔及與支撐桿聯(lián)接法蘭連接的鉸接孔處，三角板的中間部分應(yīng)力最低、變形最小。綜上所述，按設(shè)計經(jīng)驗確定的結(jié)構(gòu)方案是相對合理的，同時有限元分析結(jié)果也表明，三角板的尺寸還有進(jìn)一步減小的可能性。四.三角板的結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化利用COSMOS軟件進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是基于有限元技術(shù)的一種優(yōu)化方法，這種有限元優(yōu)化的方法是在靜力分析基礎(chǔ)上，根據(jù)約束條件與目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行多次迭代計算取得。它將有限元法與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，在結(jié)構(gòu)分析得到可行設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，再對其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到既滿足技術(shù)指標(biāo)又達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的目的。4.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模

10、型的建立(1)目標(biāo)函數(shù)。三角板優(yōu)化設(shè)計的最終目的就是在滿足給定剛度和強(qiáng)度要求下使三角板的質(zhì)量達(dá)到最小。有限元模型中每個單元具有確定的大小和材料特性，因此單元體積和質(zhì)量容易計算得到。建立三角板結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù)為：Wt(x)= minF(x)式中：Wt(x)為三角板的總質(zhì)量；F(x)為三角板的體積為材料密度。(2)設(shè)計變量。根據(jù)設(shè)計要求和有限元模型的特點(diǎn)，設(shè)計變量通?？紤]單元物理特性、單元材料特性、截面特性和形狀變量。本例中，選取截面特性參數(shù)作為三角板優(yōu)化的設(shè)計變量，考慮三角板的連接孔參數(shù)已作為基本參數(shù)不能改變。作為尺寸參數(shù)的有內(nèi)外截面厚度和中間截面區(qū)域的面積大小。為減輕優(yōu)化設(shè)計計算量，減少運(yùn)行

11、時間，根據(jù)三角板的結(jié)構(gòu)形式，先對三角板的中間截面區(qū)域形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化，再對截面厚度尺寸進(jìn)行優(yōu)化。首先保持三角板橫截面的尺寸不變，即圖12中截面厚度40 rain、60 mill和66 lllln不變。圖中RDl、RD2、RD3、RD4、RD5、RD6等6個尺寸決定了三角板中間截面區(qū)域的面積大小，因此將該6個參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計變量。在內(nèi)外截面不變的情況下，中間區(qū)域的面積越大，則結(jié)構(gòu)質(zhì)量越輕。根據(jù)三角板總體尺寸和結(jié)構(gòu)特征，為6個設(shè)計變量設(shè)定上下限值。(3)約束條件。有限元優(yōu)化設(shè)計中的性能約束主要有應(yīng)力約束、位移約束和動態(tài)性能約束等3種。應(yīng)力約束：保證結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求，即，盯為優(yōu)化設(shè)計中結(jié)構(gòu)的等

12、效應(yīng)力強(qiáng)度。位移約束：位移約束限制模型中某些節(jié)點(diǎn)的變形大小，取圖11中發(fā)生最大位移處的節(jié)點(diǎn)為約束對象，即。頻率約束：用以保證結(jié)構(gòu)具有良好的動態(tài)性能。通過文獻(xiàn)【4】研究結(jié)果，在自卸車停車狀態(tài)下進(jìn)行舉升貨物時，考慮整車懸架剛度和阻尼，液壓缸舉升過程中，產(chǎn)生自激振動，約0.5-l Hz。考慮三角板的動態(tài)性能，防止在舉升過程中與液壓缸發(fā)生共振，要使其基礎(chǔ)頻率偏離液壓缸的自激振動頻率。通過頻率分析，得到未優(yōu)化前的三角板第一階振型基礎(chǔ)頻率為44988 Hz，同液壓缸自激振動頻率相差很遠(yuǎn)。第二、三、四階振型各模態(tài)階次的固有頻率分別為938.11Hz、95839 Hz和l 2451 Hz，與自激振動頻率相差更

13、大，因此本文中沒有把它作為約束條件。綜上所述，可得三角板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為：X=x1，x2，x3，x4，x5，x6=RDl，RD2，RD3，RD4，RD5，RD6st 50RD112050RD280150RD319025RD46025RD56025RD660式中：=225 MPa，許用應(yīng)力，以Von Mises應(yīng)力值為準(zhǔn)，安全系數(shù)為270225=1.2；=2.5mm，為設(shè)計允許的最大靜態(tài)位移量。4.2優(yōu)化過程及結(jié)果目標(biāo)函數(shù)Wt(x)經(jīng)過30次迭代后達(dá)到收斂。優(yōu)化后，在應(yīng)力水平由初始應(yīng)力1519 MPa上升至1579 MPa，變化很小，但質(zhì)量由原來的7880 kg變?yōu)?3.32kg，減輕了

14、5.48 kg，效果較好。設(shè)計結(jié)果與初始值比較如表2所示，優(yōu)化后三角板應(yīng)力、位移圖解如圖13和圖14。通過對三角板表面形狀優(yōu)化的圖解分析可知，優(yōu)化后的應(yīng)力水平上升至158.0MPa，雖小于許用應(yīng)力，但最大靜態(tài)位移量已達(dá)到2259 mm，在銷孔處的靜態(tài)位移量也超過了2 mm，接近于設(shè)計要求的最大位移量，這說明了三角板中間材料的去除同時也降低了它的剛度，因此原準(zhǔn)備進(jìn)一步對三角板的厚度尺寸進(jìn)行的優(yōu)化不必再進(jìn)行，通過對三角板中間區(qū)域面積大小的優(yōu)化已達(dá)到良好效果。三角板在自卸舉升機(jī)構(gòu)中所占質(zhì)量較大，但同時也是受力非常復(fù)雜的關(guān)鍵零件，不能通過經(jīng)驗設(shè)計來輕易減少材料的用量。本文通過有限元與優(yōu)化設(shè)計的結(jié)合，運(yùn)用COSMOS軟件對三角板進(jìn)行了以減輕質(zhì)量為目標(biāo)的優(yōu)化。對形狀尺寸優(yōu)化后，在質(zhì)量減輕548 kg的情況下，應(yīng)力水平僅增加6.1 MPa，小于許用應(yīng)力，完全能夠滿足舉升要求。這也表明，基于有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是對產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計的一種有效手段。根據(jù)以上設(shè)計分析方法制作的舉升機(jī)構(gòu)裝配在樣機(jī)上經(jīng)過反復(fù)舉升試驗，以及之后在礦區(qū)實際使用后無變形、裂