基于虛擬樣機的自卸汽車T式舉升機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

苑伍德，羅坤，楊成倫，劉大維

(1. 青島大學 機電工程學院，山東 青島 266071；2. 中國重汽集團青島重工有限公司，山東 青島 266031)

0 引言

自卸汽車是通過發(fā)動機驅(qū)動液壓機構(gòu)從而驅(qū)動舉升機構(gòu)傾斜到一定角度實現(xiàn)自動卸貨，并靠自重回位的工程車輛，廣泛應(yīng)用于各種復雜路況的運輸工作。舉升機構(gòu)作為自卸汽車的核心機構(gòu)，其設(shè)計的好壞，直接影響到自卸車的使用性能。因此舉升機構(gòu)的分析、優(yōu)化對于自卸汽車的設(shè)計研發(fā)具有重要意義[1]。

T式舉升機構(gòu)在自卸汽車中應(yīng)用廣泛，對于舉升機構(gòu)的設(shè)計，早期主要采用作圖法進行分析。這種方法工作量大，在產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化過程中需要多次進行復雜的作圖分析計算，而且精度較差。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，一些學者和企業(yè)開始利用虛擬樣機技術(shù)來開展產(chǎn)品的性能研究、優(yōu)化設(shè)計等研究工作[2-10]。通過虛擬樣機模型在設(shè)計階段就能完成預測、評價產(chǎn)品的各項性能，不僅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，而且能夠大幅減少研發(fā)成本?；诖耍疚睦枚囿w動力學軟件ADAMS對T式自卸汽車舉升機構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，獲得舉升機構(gòu)主要鉸接點的最佳位置，為自卸汽車的優(yōu)化設(shè)計提供了新途徑，同時也為提高舉升機構(gòu)的工作性能提供了依據(jù)。

1 T式舉升機構(gòu)的建模與仿真

1.1 T式舉升機構(gòu)建模

本文將T式自卸汽車舉升機構(gòu)簡化為圖1所示的模型。該機構(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O點為原點建立坐標系，車箱與三角臂的A鉸接點鉸接，油缸一端與三角臂的C鉸接點鉸接，另一端與副車架在B鉸接點鉸接；拉桿一端與三角臂在B鉸接點鉸接，另一端與副車架在E鉸接點鉸接。ABCDE、A′B′C′DE分別為舉升機構(gòu)舉升前、后的位置。

圖1 T式舉升機構(gòu)模型簡圖

根據(jù)T式舉升機構(gòu)模型簡圖，在Pro/E軟件中創(chuàng)建了舉升機構(gòu)的三維實體模型，將其導入到ADAMS/View環(huán)境中，并在ADAMS/View環(huán)境下對樣機幾何模型添加質(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式舉升機構(gòu)虛擬樣機模型。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)動副進行約束；活塞桿與油缸的相互約束關(guān)系定義為平面移動副進行約束。

圖2 T式舉升機構(gòu)虛擬樣機模型

1.2 T式舉升機構(gòu)仿真分析

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

圖3 油缸驅(qū)動力變化曲線

2 舉升機構(gòu)優(yōu)化數(shù)學模型的建立

2.1 目標函數(shù)

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

minF(X)

(1)

式中：F(X)為目標函數(shù)；X為設(shè)計變量，X=(DV_1，DV_2，…，DV_n)，n為設(shè)計變量的個數(shù)。

2.2 設(shè)計變量

通過優(yōu)化舉升機構(gòu)各鉸接點的位置可以有效改善油缸的驅(qū)動力大小。因此，將舉升機構(gòu)中各鉸接點的位置坐標作為設(shè)計變量，通過對各鉸接點的位置坐標進行參數(shù)化設(shè)計，建立T式舉升機構(gòu)的參數(shù)化模型，以便于比較不同參數(shù)對舉升機構(gòu)在舉升過程中產(chǎn)生的油缸驅(qū)動力大小的影響。

根據(jù)優(yōu)化的目標和舉升機構(gòu)的設(shè)計要求，確定參數(shù)化的設(shè)計變量為以下幾個關(guān)鍵點：三角臂與車箱連接鉸鏈點A、三角臂與拉桿臂連接鉸鏈點B、三角臂與活塞桿連接鉸鏈點C、油缸與副車架連接鉸鏈點D和拉桿臂與副車架連接鉸接點E的y、z坐標(見圖1)，共10個設(shè)計變量。

2.3 約束條件

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

1) 為了保證T式舉升機構(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 ( 車箱相對于副車架的轉(zhuǎn)角) 等于48°為約束條件，對ANGLE建立約束函數(shù)G2(X)為

G2(X)=48°-ANGLE≤0

(2)

2) 根據(jù)T式舉升機構(gòu)尺寸和布置要求，優(yōu)化設(shè)計過程中各設(shè)計變量允許變化范圍如表1所示。

表1 舉升機構(gòu)各設(shè)計變量變化范圍

3 優(yōu)化計算與結(jié)果分析

ADAMS/View提供OPTDES -GRG (廣義簡約梯度算法)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，其特點是尋優(yōu)時沿邊界進行搜索，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化的解往往位于邊界上。

3.1 T式舉升機構(gòu)的第一次優(yōu)化設(shè)計

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

通過對自卸汽車T式舉升機構(gòu)的第一次優(yōu)化設(shè)計，在ADAMS/View軟件中得到DV_1-DV_10共10個設(shè)計變量在初始值位置對于液壓油缸驅(qū)動力的敏感度大小，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，通過第一次優(yōu)化設(shè)計得到的DV_3、DV_5、DV_7、DV_8和DV_9共5個設(shè)計變量在初始值位置對于液壓油缸驅(qū)動力的敏感度較大，故將這5個設(shè)計變量作為新的優(yōu)化設(shè)計變量進行T式舉升機構(gòu)的第二次優(yōu)化設(shè)計。

3.2 T式舉升機構(gòu)的第二次優(yōu)化

采用Optimization參數(shù)化分析方法對自卸汽車T式舉升機構(gòu)進行第二次優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計變量的允許變化范圍，通過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)動力最大值最小時的參數(shù)組合。

通過對舉升機構(gòu)的第二次優(yōu)化設(shè)計，得到DV_3、DV_5、DV_7、DV_8和DV_9共5個設(shè)計變量的優(yōu)化值(見表3)。

3.3 T式舉升機構(gòu)優(yōu)化前、后結(jié)果對比

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

圖4 優(yōu)化前、后油缸驅(qū)動力輸出曲線

由圖4可知：車箱舉升過程中，在相同的驅(qū)動速度與仿真時間條件下，液壓油缸驅(qū)動力最大值由優(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)動力最大值出現(xiàn)在初始位置，優(yōu)化后油缸驅(qū)動力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，油缸驅(qū)動力最大值出現(xiàn)在舉升角為3.6°時，避免了初始油壓值過大的狀況，有利于延長液壓系統(tǒng)的使用壽命。

4 結(jié)語

本文利用多體動力學軟件ADAMS對T式自卸汽車舉升機構(gòu)建立虛擬仿真模型，采用ADAMS軟件自帶的OPTDES-GRG算法，以舉升機構(gòu)液壓缸作用力最小為優(yōu)化目標，對機構(gòu)中各鉸接點位置進行了優(yōu)化，優(yōu)化后舉升機構(gòu)在舉升過程中所需的液壓油缸最大驅(qū)動力比優(yōu)化前降低了23.5%。有利于提高機構(gòu)的可靠性，延長舉升機構(gòu)的使用壽命；研究結(jié)果為舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)的進一步改進提供參考依據(jù)。