引 言
近年来,随着经济的发展,市场对重型自卸车的需求量大大增加,这类自卸车广泛应用于使用条件比较恶劣的矿山工地,举升机构是自卸车的核心机构,设计时既要考虑运动学问题,又要考虑机构的强度问题。若举升机构设计不当,容易发生结构的早期断裂现象。自卸车的举升机构可分为直推式和连杆组合式两大类。直推式设计简单,易于计算,但油缸行程长,一般采用多级油缸,成本高。连杆组合式油缸行程短,可采用单级油缸,制造工艺简单,机构经优化后可得到较小的油缸力曲线,但由于其结构复杂,设计计算比较困难。
传统的设计方法是采用作图法 ,效率低且精度差。近来出现利用计算机编制优化程序进行设计的一些方法,计算精度得到了提高,但程序一般只针对一种类型的举升机构,程序通用性差而调试工作量大,如何保证程序的可靠性也是令人头疼的问题。随着CAE技术的成熟,虚拟样机技术得到了广泛应用,工程技术人员可以利用CAD软件建立三维机构模型,在CAE软件中对其施加铰链及运动约束,模拟现实中的机构运动并进行仿真优化,得到所需的设计数据,精确度高并大大缩短开发周期,降低了成本。
采用世界一流的多体动力学仿真软件 ADAM S的虚拟样机技术,对某汽车厂重型自卸车的浮动油缸式举升机构进行仿真优化研究,目的是对原有机构进行优化,在给定举升质量和满足最大举升角的前提下,改变机构尺寸,使油缸举升力最小,降低油缸的制造成本。
1 虚拟样机的建立
1. 1 建立模型
ADAMS软件的建模能力不强,虚拟样机的三维模型可利用Catia、UG等三维CAD软件建立,再导入ADAMS软件中。本次设计为了简化模型、加快设计进度,在ADAM S直接建立图1所示的抽象模型,并不影响计算结果。
长方体为装载货物的车箱,总质量为40 t,假设在工作过程中总质量不发生变化; A 为后铰链点, BD为拉杆, CE为油缸, DEF为三角板。A～ F 点均为圆柱副连接,油缸CE由两个连杆组成,相对运动为滑动副,施加平移驱动。施加运动副时,要注意其方向正确性并不得有多余约束,否则不能完成运动仿真。
要找到一个最佳位置,使油缸举升力最小,并满足自卸车其它方面的要求。各点的初始位置可以由原车型各点的设计位置来确定, A 点为原点。
1. 2 虚拟样机的仿真
模型建立后进行一次仿真,油缸行程按850 mm,输出油缸举升力随活塞行程的变化曲线(见图2)。油缸举升力最大值为( 6. 88 105 ) N.
1. 3 模型的参数化
进行优化要定义设计变量,设计变量的值是可以改变的。以B～ F 点的x、y 坐标作为设计变量,当各点的坐标变化时,杆件和结构尺寸也发生相应的改变,系统自动修改模型,不需要人工干预,提高了优化效率。
定义设计变量的值时要注意它们的取值范围,这个取值范围取决于车箱底架及副车架的结构布置,并不与举升机构产生干涉。将定义好的设计变量代入各点坐标中,即完成了虚拟样机的参数化过程。
1. 4 建立约束条件
为了使自卸车能将货物卸干净,举升角应大于货物的安息角。该型自卸车主要用于运载煤炭,煤炭的安息角为27～ 45,设计时最大举升角取50,在优化过程中需要满足这一约束条件。定义约束条件时首先定义一个测量 (取名ME A_ AN GL E )以获得仿真过程中的举升角.
2 优化计算
前述工作完成后便可进行优化分析。在满足约束条件的前提下,优化程序在设计变量的取值范围内自动对其进行调整,最终得到使油缸力最小的设计变量值。软件ADAMS /View 提供了一个友好的用户界面,可以输出各种力、位移、速度、加速度等曲线,便于用户直观了解在优化过程中约束条件、目标函数等测量的变化情况。
本次优化涉及十个设计变量,要在一次计算中同时对这么多的设计变量进行优化,往往由于计算过程中各设计变量的取值产生矛盾,而使计算失败。因此,对于这种设计变量较多的情况,应先对部分设计变量进行优化,得到一个优化结果,再对其它设计变量进行优化。
为了确定第一次优化的设计变量,需要对每一个设计变量进行分析,研究其敏感度,即对目标函数的影响程度,选择最高的变量作为第一次优化的设计变量
3 结束语
本次优化的结果,确定了关键点的坐标,也就确定了机构的最佳尺寸。ADAMS仿真的另一个应用是求出支点( A、B、C、F 点)的反力,为车架和车箱的结构计算提供载荷条件。而举升机构的进一步有限元计算也可以在ADAMS中进行,这时要建立机构的实体模型,通过CAE软件(如Nastran、AN SYS等)转换为中性文件,再导入ADAMS中计算。
