基于DOE方法的液壓挖掘機(jī)斗桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

莊攀，楊良德

(常德達(dá)門船舶有限公司，湖南 常德415700）

0 引 言

選取斗桿參數(shù)化模型中主要設(shè)計(jì)參數(shù)作為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化變量, 利用優(yōu)化軟件OptiSLang對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以斗桿總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo),在保證結(jié)構(gòu)具有足夠剛度和強(qiáng)度的條件下,尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,使斗桿整體箱型結(jié)構(gòu)具有最佳承載能力。

1 DOE設(shè)計(jì)方法

圖1 某型液壓挖掘機(jī)斗桿結(jié)構(gòu)圖

DOE (Design of Experiment) 設(shè)計(jì)方法是基于過程優(yōu)化環(huán)節(jié)，分析輸入與輸出參數(shù)之間的變化關(guān)系，辨識諸多參數(shù)中的關(guān)鍵因子，確定最佳參數(shù)組合，為后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化等提供有效的技術(shù)分析方法。

2 建立參數(shù)化模型

基于Pro/E創(chuàng)建參數(shù)化模型，對諸多部件進(jìn)行完整定義，輸入各部件之間關(guān)系式和對應(yīng)的參數(shù)，模型中所有尺寸直接由定義的參數(shù)來控制，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮分析模型后續(xù)更新以及零部件之間的干涉情況。參數(shù)化模型創(chuàng)建完成后可以直接使用已提前定義的參數(shù)對模型進(jìn)行修改更新，可以方便、有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化分析。分析前當(dāng)Pro/E與ANSYS Workbench之間數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，參數(shù)化模型首次導(dǎo)入ANSYS Workbench后可以直接對模型進(jìn)行尺寸控制。Pro/E中建立好的全參數(shù)化斗桿模型與參數(shù)關(guān)系式如圖2、圖3所示。

圖2 液壓挖掘機(jī)斗桿全參數(shù)化模型

圖3 斗桿模型參數(shù)與關(guān)系式

3 斗桿DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 輸入變量值

本文以液壓挖掘機(jī)工作裝置主要運(yùn)動(dòng)部件斗桿箱體結(jié)構(gòu)作為研究對象，斗桿一般是由鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu), 在斗桿箱體DOE優(yōu)化時(shí)，充分考慮箱體內(nèi)肋板在斗桿回轉(zhuǎn)時(shí)承受彎扭作用，因此斗桿內(nèi)肋板的合理設(shè)計(jì)對斗桿整體箱型強(qiáng)度有非常重要的作用。

參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，斗桿主要的輸入?yún)?shù)變量有內(nèi)肋板板厚hou、斗桿后支座中心與內(nèi)肋板連線與水平方向角度jiaodu、內(nèi)肋板與水平方向

角 度jiaodu2，主要參數(shù)示意如圖4 所示。定義各主要參數(shù)變量的取值區(qū)間，如表1所示。

圖4 斗桿內(nèi)肋板參數(shù)示意圖

表1 斗桿內(nèi)肋板參數(shù)取值區(qū)間

3.2 輸出參數(shù)設(shè)置

基于DOE 設(shè)計(jì)方法的斗桿優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證斗桿最佳力學(xué)性能即足夠的強(qiáng)度和剛度，優(yōu)化斗桿總質(zhì)量為目標(biāo)。因此，分析中合理設(shè)置目標(biāo)監(jiān)測位置，斗桿內(nèi)肋板關(guān)鍵控制點(diǎn)的等效應(yīng)力P6，斗桿等效應(yīng)力較大區(qū)域P4、P5，以及斗桿總質(zhì)量P7作為此次優(yōu)化目標(biāo)，并取相應(yīng)位置的最大等效應(yīng)力與總質(zhì)量作為響應(yīng)輸出參數(shù)。通過對輸入和輸出參數(shù)之間變量正交計(jì)算與結(jié)果對比分析，得出參數(shù)間影響及變化規(guī)律。輸出目標(biāo)位置監(jiān)測點(diǎn)及最大等效應(yīng)力參數(shù)定義如圖5所示。

圖5 目標(biāo)位置監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

3.3 DOE分析加載與結(jié)果分析

采用ANSYS Workbench中響應(yīng)曲面優(yōu)化與目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊，以斗桿內(nèi)肋板關(guān)鍵參數(shù)為輸入變量，通過DOE正交數(shù)組方法設(shè)計(jì)輸入變量，根據(jù)實(shí)際姿態(tài)工況，設(shè)定約束條件，施加工作載荷，以斗桿等效應(yīng)力、等效位移和斗桿質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對斗桿進(jìn)行上述姿態(tài)靜應(yīng)力計(jì)算分析，探討斗桿內(nèi)肋板參數(shù)因子對斗桿力學(xué)性能及總質(zhì)量的影響和變化規(guī)律。通過正交組共計(jì)15個(gè)點(diǎn)位抽樣連續(xù)計(jì)算，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 DOE正交數(shù)組設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

通過DOE數(shù)組分析的靈敏度分析查看輸入?yún)?shù)變量對輸出相應(yīng)參數(shù)的影響程度。圖6直接顯示3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)和4個(gè)輸出參數(shù)之間的靈敏度情況，即jiaodu2對zhofuban影響很大，而其他兩個(gè)參數(shù)對其影響很??；jiaodu對shyiban影響很大，而厚度對其影響很?。籮iaodu對leiban影響很大，而厚度對其影響很小；jiaodu2對總質(zhì)量P7影響很大，而角度對其影響較小。由此可知，支座中心與內(nèi)肋板連線水平角度jiaodu、內(nèi)肋板水平角度jiaodu2對斗桿與內(nèi)肋板等效應(yīng)力影響程度最為明顯，內(nèi)肋板水平角度jiaodu2對斗桿總質(zhì)量影響程度最為明顯。

由圖7（a）可知，隨著jiaodu值增加至55°時(shí)，zhofuban應(yīng)力值逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)性，當(dāng)jiaodu值由55°增加至70°時(shí)，zhofuban應(yīng)力值逐漸增大。由圖7（b）可知，隨著jiaodu值增加，shyiban應(yīng)力值逐漸增加，兩者呈正相關(guān)性。由圖7（c）可知，隨著jiaodu2增加至55°時(shí)，shyiban應(yīng)力值逐漸增大，呈正相關(guān)性，當(dāng)jiaodu2由55°增加至70°時(shí)，shyiban 應(yīng) 力 值 逐 漸 減小。由圖7（d）可知，隨著jiaodu增加至60°時(shí)，leiban應(yīng)力值逐漸減大，呈正相關(guān)性，當(dāng)jiaodu繼續(xù)增加時(shí)，leiban應(yīng)力值減小。

圖6 輸入?yún)?shù)敏感度分析結(jié)果

圖7 變量間二維響應(yīng)曲線圖

根據(jù)以上分析，進(jìn)一步對內(nèi)肋板的最優(yōu)位置與厚度進(jìn)行篩選，分析時(shí)以斗桿箱型體關(guān)鍵部位的應(yīng)力值作為優(yōu)化目標(biāo)，即斗桿內(nèi)肋板和中腹板等效應(yīng)力值小于設(shè)置目標(biāo)值，斗桿總質(zhì)量最小化。根據(jù)要求設(shè)置各響應(yīng)參數(shù)的重要級別，得到內(nèi)肋板的最佳位置，通過計(jì)算優(yōu)化篩選出3組最符合優(yōu)化條件的候選組合，如圖8所示。

圖8 斗桿優(yōu)化候選設(shè)計(jì)組合

其中，組合A相比于組合B、C，內(nèi)肋板等效應(yīng)力值明顯偏低，且其他分析結(jié)果基本相同，因此組合A更適合作為最佳優(yōu)化結(jié)果。分析結(jié)果表明，斗桿在滿足力學(xué)性能的前提下，通過對參數(shù)設(shè)置重要度對斗桿整體進(jìn)行優(yōu)化，使斗桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最佳水平。

4 結(jié)語

本文以挖掘機(jī)斗桿為研究對象，采用DOE(Design of Experiment)設(shè)計(jì)方法，分析各組成參數(shù)因子對斗桿整體力學(xué)性能及自重的影響及變化規(guī)律，獲得設(shè)計(jì)候選組合，通過ANSYS Workbench目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模塊，篩選斗桿各組成參數(shù)最佳組合值，保證斗桿足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，實(shí)現(xiàn)斗桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，本文采用的設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化思路對工程機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。