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      裝載機工作裝置的運動仿真及優(yōu)化

      2023-12-07 12:40:13董衛(wèi)超龐海通
      工程機械與維修 2023年6期

      董衛(wèi)超 龐海通

      摘要:使用三維建模軟件CREO建立裝載機工作裝置的骨架模型,初步確定滿足卸高卸距等運動參數(shù)的各部件初始設(shè)計尺寸。利用ADAMS軟件將初始設(shè)計尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量,工作裝置各點位的坐標(biāo)值,通過優(yōu)化變量組成的表達式自動算出,進而通過坐標(biāo)值對工作裝置進行參數(shù)化建模,達到使用設(shè)計尺寸建立參數(shù)化模型的目的。使用ADAMS分析模型主要性能參數(shù)并對其進行點位優(yōu)化,提升了工作裝置自動放平性能。

      關(guān)鍵詞:裝載機;工作裝置;ADAMS;點位優(yōu)化;參數(shù)化建模

      0? ?引言

      裝載機廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,適用于多樣化的作業(yè)工況,工作裝置的性能優(yōu)劣直接影響整機工作效率[1]。對于裝載機工作裝置的優(yōu)化,有不少學(xué)者做過相關(guān)方面的研究。段文婧[2]利用ADAMS對裝載機工作裝置進行參數(shù)化建模,并對其建立約束函數(shù),優(yōu)化完后工作裝置鏟斗平移性得到一定改善。王曉明等人[3]利用ADAMS優(yōu)化設(shè)計模塊,將工作裝置各鉸接點的坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量,以鏟斗下叉角為優(yōu)化對象,將傳動角、卸載參數(shù)等作為約束條件,優(yōu)化完成后鏟斗下叉角得到提升。

      應(yīng)用三維建模軟件CREO骨架模型功能,可以設(shè)計出滿足產(chǎn)品卸高、卸距、收斗角、卸料角等整機運動參數(shù)的工作裝置點位,各部件的初始設(shè)計尺寸也隨之確定。使用骨架模型可以靜態(tài)模擬出工作裝置各部件的運動角等參數(shù),但由于沒有完成完整的三維模型,無法使用建模軟件本身的動態(tài)仿真功能對結(jié)構(gòu)進行運動仿真。

      本文使用三維建模軟件CREO建立裝載機工作裝置的骨架模型,初步確定滿足卸高卸距等運動參數(shù)的各部件初始設(shè)計尺寸。利用ADAMS軟件將初始設(shè)計尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量,工作裝置各點位的坐標(biāo)值,通過優(yōu)化變量組成的表達式自動算出,進而通過坐標(biāo)值對工作裝置進行參數(shù)化建模,達到使用設(shè)計尺寸建立參數(shù)化模型的目的。

      1? ?工作裝置的模型分析

      本文選取反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)作為裝載機工作裝置研究對象。反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)中翻斗缸無桿腔進油時鏟斗收斗,可以使鏟斗獲得較大的崛起力。工作裝置主要由鏟斗、動臂、搖臂、連桿、翻斗缸、舉升缸等部分組成,它們之間通過銷軸連接,如圖1所示。翻斗缸帶動鏟斗翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)收斗與卸料,舉升缸帶動動臂來實現(xiàn)鏟斗的舉升與下降。

      圖1中點A、S、G為前車架點位,整機設(shè)計完成后點位已確定,點B、C、D、E、F、Q、V為工作裝置點位,這些點整體位置影響工作裝置的運動姿態(tài)以及工作性能。

      點位確定后,工作裝置部分還剩兩個自由度,即鏟斗舉升與翻轉(zhuǎn)兩個自由度,可分別用點B到地面的距離H和鏟斗的位置角α來表示。這些尺寸確定后,將地面作為X軸,前后車架鉸接處作為Y軸建立坐標(biāo)系,所有點的坐標(biāo)就可以通過各部件的初始設(shè)計尺寸表達出來。

      以點B、C兩點坐標(biāo)為例,點B坐標(biāo)計算如下:

      XB=XA+LAB·sinβ? ? ? ? ? ? ? ?(1)

      YB=H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(2)

      點C坐標(biāo)計算如下:

      XC=XB-LBC·cosθ? ? ? ? ? ? ? ? (3)

      YC=YB+LBC·sinθ? ? ? ? ? ? ? ? (4)

      β計算公式如下:

      β=arccos((YA-H)/LAB)? ? ? ? ? ? ?(5)

      θ的計算公式如下:

      θ=270°-α-∠CBV-arccos(HBV/LBV)? ? ? ? (6)

      式中:LAB為點AB間的直線距離;LBC為點BC間的直線距離;LBV為點BV間的直線距離;HBV為點B到斗底板的垂直距離;B點X軸方向坐標(biāo)為XB,B點Y軸方向坐標(biāo)為YB。其余點坐標(biāo)用相同方式表達。

      2? ?工作裝置的參數(shù)化建模

      2.1? ?ADAMS軟件簡介

      ADAMS軟件后處理功能強大,可以對數(shù)據(jù)進行圖形顯示,也可以對數(shù)據(jù)以表格形式輸出,方便對數(shù)據(jù)進行二次處理。ADAMS軟件還有專門的優(yōu)化分析模塊,創(chuàng)建優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件后可以完成對模型的優(yōu)化[4]。

      2.2? 各部件設(shè)計尺寸與工作裝置各點位坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換

      在ADAMS軟件中,將各部件的初始設(shè)計尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量,使用菜單欄工具中表格編輯器功能,將工作裝置各鉸接點的坐標(biāo)值,通過上述推導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達式表示出來。這樣可建立起各部件設(shè)計尺寸與各點位坐標(biāo)值的聯(lián)系,各點位的坐標(biāo)值便會跟隨設(shè)計尺寸的變更而動態(tài)調(diào)整,相應(yīng)的參數(shù)化模型也會跟隨動態(tài)更新。選取鏟斗處在地面,鏟斗位置角為零時作為初始狀態(tài),得到各鉸接點坐標(biāo)值如表1所示。

      2.3? ?建立參數(shù)化模型

      工作裝置各點位的坐標(biāo)值確定后,在ADAMS中直接使用坐標(biāo)點建立參數(shù)化模型。本模型建立的約束包括液壓缸與缸桿之間的2個移動副、3個圓柱副、2個點線副、4個旋轉(zhuǎn)副,各點位的約束類型如表2所示。在液壓缸移動副處建立2個運動驅(qū)動。

      3? ?工作裝置的運動分析

      利用ADAMS對工作裝置的作業(yè)過程進行運動仿真,典型的運動過程主要有以下4個階段:一是鏟斗收斗階段,期間舉升缸閉鎖,翻斗缸活塞桿前移;二是鏟斗舉升階段,期間翻斗缸閉鎖,舉升缸活塞桿前移;三是鏟斗卸料階段,期間舉升缸閉鎖,翻斗缸活塞桿后移;四是鏟斗回位階段,期間翻斗缸閉鎖,舉升缸活塞桿回到原位。這樣完成一個工作循環(huán)后進行下個運動循環(huán)。

      使用ADAMS驅(qū)動模塊建立兩液壓缸的移動驅(qū)動,根據(jù)液壓缸行程設(shè)立位移與時間的STEP函數(shù),模擬鏟斗收斗、提升、卸料、下降的整個作業(yè)過程,仿真時長設(shè)定20s。設(shè)定的翻斗油缸和舉升缸的驅(qū)動函數(shù)分別為:

      STEP(time,0,0,5,-163.862)+STEP(time,5,0,10,0)+

      STEP(time,10,0,15,359.203)+STEP(time,15,0,20,0)

      STEP(time,0,0,5,0)+STEP(time,5,0,10,-777.25)+

      STEP(time,10,0,15,0)+STEP(time,15,0,20,777.25)

      運動仿真后得到鏟斗位置角隨時間變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出,鏟斗從地面收斗后到最高處鏟斗的位置角變化在10°內(nèi),運動平移性好,保證了運動過程中的穩(wěn)定性。卸完料從最高位置到地面位置時鏟斗位置角為-30°左右,鏟斗的自動放平性能差,插入物料時需重新調(diào)整鏟斗姿態(tài),影響作業(yè)效率。

      4? ?工作裝置的點位優(yōu)化

      4.1? ?最優(yōu)化模型分析步驟

      使用最優(yōu)化方法解決問題的一般步驟如下:一是確定需要被優(yōu)化的目標(biāo),搜集可能會影響被優(yōu)化目標(biāo)的變量;二是創(chuàng)建優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,確定優(yōu)化變量的取值范圍,將目標(biāo)函數(shù)定義為用優(yōu)化變量創(chuàng)建的函數(shù)表達式,同時使用優(yōu)化變量創(chuàng)建約束函數(shù)來建立約束條件;三是分析模型特征,確定采用的優(yōu)化方法;四是求解模型,多變量的優(yōu)化模型計算復(fù)雜,可以使用計算機來進計算求解;五是將最優(yōu)解進行驗證,確認其是否達到優(yōu)化目標(biāo)要求。

      經(jīng)過以上步驟計算后,如果優(yōu)化解不能滿足需求,重新設(shè)定變量范圍或者更換優(yōu)化變量來做進一步的優(yōu)化。

      4.2? ?確定目標(biāo)函數(shù)

      鏟斗自動放平性是指將動臂舉到最高處,鏟斗在最高位置卸完料后,翻斗缸鎖止,舉升缸帶動連桿機構(gòu)回到地面時,鏟斗的位置角與地面保持水平的能力。鏟斗自動放平的好處,就是不需要作業(yè)人員重新調(diào)整鏟斗位置角就可以進入下一工作循環(huán)。

      為了優(yōu)化鏟斗的自動放平性能,確定卸完料鏟斗回到地面時的位置角的絕對值作為目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)函數(shù)表達式為:

      ABS(ATAN(DY(MARKER_167,MARKER_168)/DX

      (MARKER_167,MARKER_168)))

      其中:MARKER_167、MARKER_168分別為鏟斗斗底板上前后兩處的標(biāo)記點。

      4.3? ?建立約束條件

      為保證工作裝置運動過程中的傳力性能,保證運動軌跡的確定性,防止各部件之間出現(xiàn)死點,各傳動角需保持在10~170°范圍內(nèi)[5]。使用ADAMS的“創(chuàng)建設(shè)計約束”功能,建立的傳動角約束條件如下:10°<∠BCD<170°、10°<∠CDE<170°、10°<∠EFG<170°

      4.4? ?優(yōu)化計算

      使用ADAMS的“試驗研究”功能,分析出對目標(biāo)函數(shù)影響較大的優(yōu)化變量LDE、LEF、LCD以及∠DEF。LDE表示的是搖臂DE兩點之間的距離,LEF表示的是搖臂EF兩點直接的距離,LCD表示的是CD兩點直接的距離也就是連桿長度,∠DEF表示的搖臂DEF連線間小于180°的角。

      將優(yōu)化變量的取值范圍設(shè)定為最大值與最小值之間,將目標(biāo)函數(shù)的的研究對象設(shè)定為“最終值”選項,將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值選為最小值,使用創(chuàng)建的約束條件,求解器選用SQP優(yōu)化算法。經(jīng)過幾輪優(yōu)化后,得到鏟斗位置角隨時間的變化如圖3所示。優(yōu)化變量優(yōu)化前后對比結(jié)果如表3所示。

      得到優(yōu)化完成的標(biāo)準(zhǔn)值后,重新對工作裝置的工作循環(huán)進行運動仿真,得到鏟斗位置角隨時間變化的曲線如圖4所示。將其與優(yōu)化前的仿真結(jié)果進行對比,可知鏟斗的自動放平性有明顯的改善,優(yōu)化后的地面放平角為-6°,優(yōu)化前的地面放平角-30°,自動放平性能改善80%。

      5? ?結(jié)束語

      本文以新開發(fā)的裝載機工作裝置為研究對象,在ADAMS軟件中,將工作裝置各部件的設(shè)計尺寸轉(zhuǎn)化為各運動點位的坐標(biāo)值,進而利用ADAMS軟件完成參數(shù)化建模。將工作裝置各部件的初始設(shè)計尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量,定義出鏟斗自動放平的目標(biāo)函數(shù),建立傳動角約束條件,對目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化計算。優(yōu)化完成后的模型自動放平性能得到明顯的改善,證明使用ADASM軟件可以完成對裝載機工作裝置點位優(yōu)化。

      參考文獻

      [1] 何正忠.裝載機[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

      [2] 段文婧.某小型輪式裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件,2022(12):13-15.

      [3] 王曉明,張佳佳,宋紅兵等.基于ADAMS的裝載機工作裝置仿真及優(yōu)化設(shè)計[J].工程機械,2014,45(6):55-58.

      [4] 賈長治,殷軍輝,薛文星等.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

      [5] 高秀華,王云超,安二中,等.基于ADAMS的裝載機工作裝置優(yōu)化[J].計算機仿真,2007(24):217-221.

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