機場升降裝卸平臺舉升機構的動力學仿真與優化

賈英杰，劉寶波，張　凱

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2.軍事交通學院，天津300161)

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機場升降裝卸平臺舉升機構的動力學仿真與優化

賈英杰1，劉寶波2，張凱1

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2.軍事交通學院，天津300161)

為對某新型機場升降裝卸平臺舉升機構進行優化設計，以該平臺為研究對象，利用ADAMS虛擬樣機軟件對裝卸作業過程進行了仿真分析，針對仿真出現的問題，借助Matlab軟件對平臺的舉升機構進行優化改進，對優化后機構進行動力學仿真，驗證了優化方案的合理性。

機場升降裝卸平臺；舉升機構；動力學仿真

機場升降裝卸平臺主要用于實現集裝箱以及其他航空貨物的快速裝卸，工作時通過升降裝置改變輸送平臺的垂直高度，與機艙的對接，從而實現貨物的水平輸送[1]。本文基于某新型機場升降裝卸平臺的初步設計方案進行了三維建模，對其裝卸作業過程進行了多體動力學仿真，發現工作平臺在舉升至一定高度時出現了嚴重的傾斜現象，本文對此提出了相應的改進方案。通過Matlab軟件建立了以液壓缸推力最小為優化目標的函數，對其舉升機構進行了改進。

1　優化前動力學仿真

1.1工作原理與仿真模型

新型機場升降裝卸平臺主要結構如圖1所示。平臺進行貨物裝載時，主要有舉升和微調2個主要動作，主要靠舉升液壓缸和貨物托架液壓缸來實現。平臺分別有4個舉升液壓缸和4個用以微調的托架液壓缸，仿真過程中對各液壓缸所施加的驅動以工作平臺的舉升速度和舉升高度為主要依據。將由Solidworks建好的樣機模型導入到ADAMS/View環境中(如圖2所示)。

圖1　新型機場升降裝卸平臺三維模型(優化前)

圖2　動力學仿真模型

工作平臺、舉升機構的材料為低碳貝氏體鋼(DB685)，先在ADAMS材料庫中建立該材料，具體參數為密度7 800 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。根據實際情況對各部件賦予質量參數(見表1)。

表1　主要結構部件質量參數

為盡可能真實地模擬平臺的裝載作業過程，按照實際工作情況對各個鉸點施加約束，通過對液壓缸加載位移函數來模擬一個工作循環。以保障波音747貨機(貨艙地板離地高度5.6 m)的貨物裝載為例，各液壓缸的驅動函數表達式如下：

主升液壓缸驅動函數的表達式為

step(time,0,0,40,1 677.86)+step(time,90,0,130,-1 677.86)

微調液壓缸的驅動函數表達式為

step(time,45,0,50,-78.5)+step(time,60,0,65,157)+step(time,75,0,80-78.5)

其液壓缸驅動曲線如圖3所示。

圖3　平臺為波音747作業過程液壓缸驅動曲線

1.2動力學仿真與結果分析

仿真完成后對工作平臺的質心位移進行測量，圖4為工作平臺的質心在豎直方向(y方向)和水平方向(x方向)的位移變化曲線。

圖4　舉升過程工作平臺質心位移變化曲線

從圖中可以看出當平臺作業運行到19 s時，質心突然下降，而且發生了水平移動，這說明托架發生了傾倒現象。

由平臺舉升機構的運動原理分析(如圖5所示)可以發現，該機構有9個活動件、12個低副，機構的自由度F=3×9-2×12=3，而機構只有前后主升液壓缸2個原動件，因此，平臺沒有確定的運動。另外，由于平臺托架系統的質心偏向前方，前后舉升機構對質心產生的力矩會使得托架繞z軸旋轉。

圖5　舉升機構示意

2　舉升機構的改進

2.1改進方案

由以上分析可知，舉升機構現有的設計沒有確定的運動，平臺舉升高度達不到5.6 m，不能滿足預期的裝卸要求。為了解決這一問題，將平臺后舉升機構添加一個下支撐臂，改進后的機構活動構件10個，低副14個，經計算機構自由度為2，滿足機構具備確定運動的條件。

為方便分析，建立xoy坐標系(如圖6所示)，HC和LD為液壓缸，AC和BD為上舉升臂，IE、GJ和FK為下支撐臂，各點位置用坐標表示：A(xA,yA)、B(xB,yB)、…、L(xL,yL)，α、β、γ、δ、ε分別為HC、IE、GJ、FK和DL與x軸的夾角。

圖6　平臺機構優化設計示意

2.2機構受力分析

2.2.1工作平臺受力分析

首先取工作平臺為研究對象(如圖7所示)。

圖7　工作平臺受力分析示意

假設工作平臺和貨物的重量之和為mg，工作平臺AB除受重力外，還受到前后舉升臂對它的支撐力FDB和FCA，根據受力平衡得

由于

簡化后得

其中mg為已知量，xA、xB、xC、xD、yA、yB、yC、yD為設計變量，因為各點都在平臺上，已知工作平臺設計長度為15 000 mm，發動機左端和液力變矩器右端距平臺中心線(y軸)分別為643 mm和1 374 mm，各變量之間滿足以下條件：

-7 500

0

0

0

平臺結構復雜，設工作平臺與車架在豎直方向的安裝空間最小為564 mm，車架可安裝最低點距地面為650 mm，托架最大舉升高度5 600 mm，托架在初始位置時，A、B、C、D各點在豎直方向的值最小，考慮舉升機構等安裝要求，則有：

0

0

yCmin

yDmin

yA=yB

2.2.2后舉升機構受力分析

后舉升機構受力分析如圖8所示。假設液壓缸對C點的力為FHC，托架對上舉升臂(也即AC)的力為FAC，下舉升臂IE對E點的力為FIE，下舉升臂JG對G點的力為FJG，e1、e2、e3、e4、e5分別為FHC、FAC對J點，FAC對I點，FIE對J點，FAC對H點的力臂。

在后舉升機構中，當活塞桿行程一定時，對機構進行受力分析可知：

圖8　后舉升機構受力分析示意

根據三角形面積公式得

則

由海倫公式可知：

由于點C、E、G、H、I和J都在后舉升機構上，且車架尾端距y軸6 500 mm，液壓缸的安裝長度不小于2 020 mm，所以xC、xE、…、xJ在坐標系中都為負值，yC、yE在x軸以上，為正值，并滿足以下關系：

-6 500

0

xC

xH

xI

xJ

0≤yG

2.2.3前舉升機構受力分析

前舉升機構受力分析如圖9所示。假設液壓缸對D點的力為FDL，舉升臂KF對F點的力為FKF，舉升臂BD還受到托架AB的壓力。

圖9　前舉升機構受力分析

對前舉升機構受力分析：

其中：

tanδ=yF/(xK-xF)

化簡得

前舉升機構位于坐標系的右側，車架前端與液力變矩器前端距y軸分別為6 500 mm和1 374 mm，液壓缸的安裝長度同樣不小于2 020 mm，所有變量滿足以下關系：

1 374

xF

xK

0≤yF

2.2.4數學模型的建立

對平臺整體而言，在滿足各指標要求的前提下，要求液壓缸總推力應盡可能小一些，即

式中K為平臺舉升機構的傳力比，表示單位液壓缸力所能克服的外部阻力。

在一定的液壓缸推力下，K越大，對外做功越大，或者在一定的外部阻力下，K越大，所需的液壓缸推力越小。根據受力分析，建立以前后液壓缸推力最小為目標的多目標優化數學模型，在Matlab中編程，使用它的GADS(遺傳算法與直接搜索)工具箱進行優化[2]。在Matlab中輸入上述分析中得到的相關約束條件，設定迭代次數為350次。

2.2.5優化結果與分析

經過350次迭代后，得到各設計變量和目標函數值見表2及如圖10所示。

表2　優化設計結果

圖10　目標函數值隨迭代次數的變化曲線

3　優化后動力學仿真

3.1模型建立與參數設定

根據優化設計方案，在SolidWorks中重新建立平臺的三維模型(如圖11所示)。

圖11　改進后整車裝配示意

為了使平臺能夠平穩的舉升，先為工作平臺和大地之間添加平行副，然后只為后液壓缸施加驅動，因為優化后的平臺有確定的運動，既使前液壓缸沒有施加驅動，貨物托架依然能平穩地升起，當這一仿真過程結束后，刪去平行副，并從前液壓缸行程隨時間變化的曲線中提取出許多對數據，以文本的方式導入多體動力學仿真軟件ADAMS，再在ADAMS中建立一條Spline樣條曲線，把生成的數據賦給Spline曲線，最后調用AKISPL函數，把生成的上述樣條曲線以插值的方式賦給前液壓缸驅動，[3]這樣下次再進行仿真的時候，就可以解決前后舉升機構同步的問題。仿真過程中，為了簡化，只模擬平臺的舉升作業工況，其驅動函數如下：

后液壓缸驅動函數為

step(time,0,0,35,1 156.72)

前液壓缸驅動函數為

AKISPL(time,0, SPLINE_1,0)

3.2動力學仿真與結果分析

仿真主要測量優化后前后兩液壓缸的位移以及平臺在舉升過程中的質心變化，結果如圖12、13所示。

圖12　優化后前、后液壓缸位移曲線

圖13　優化后工作平臺質心位移曲線

由圖11可知，優化后前液壓缸的行程為1 361.86 mm，后液壓缸的行程為1 156.72 mm，前后液壓缸均小于活塞設計行程1 675 mm，滿足設計要求。

由圖13可知，平臺水平位移幅值為[-187 mm，85 mm]，小于[-300 mm，300 mm]的范圍(負值代表向后移動，正值為前移)，也滿足設計要求。

4　結　語

本文采用ADAMS動力學仿真軟件對平臺為運輸機裝卸作業過程進行了動力學仿真，針對出現的問題，以平面連桿機構特性為切入點，建立優化數學模型，借助Matlab優化工具箱，對舉升機構進行了改進，通過對改進后機構的仿真分析，驗證了改進方案的合理性。

[1]詹雋青.28t機場升降裝卸擺渡平臺論證報告[R].天津：軍事交通學院，2011.

[2]王德睿，郭衛.用MATLAB優化工具箱求解機械最優化問題[J].煤礦機械，2000(7)：6-8.

[3]鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2002：184-188.

(編輯：張峰)

Dynamics Simulation and Optimization of Lifting Mechanism for Airport Lift Loading and Unloading Platform

JIA Yingjie1, LIU Baobo2, ZHANG Kai1

(1. Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To optimize the lifting mechanism of airport lift loading and unloading platform, the paper takes a platform as study object and simulates the loading and unloading process with virtual prototype software ADAMS. It optimizes and improves the lifting mechanism with Matlab software in view of the problems existing in simulation. The rationality of the optimization plan is verified through the dynamics simulation on optimized mechanism.

airport lift loading and unloading platform; lifting mechanism; dynamic simulation

2015- 08-24；

2015-10-10.

軍交運輸科研計劃項目(AJJ10L001).

賈英杰(1990—)，男，碩士研究生；

劉寶波(1961—)，男，教授，碩士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.04.021

U462.3

A

1674-2192(2016)04- 0085- 06