曹文鋼，陳應(yīng)航，曾金越

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨車吊變幅機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真與優(yōu)化*

曹文鋼，陳應(yīng)航，曾金越

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為減小隨車吊變幅機(jī)構(gòu)油缸的受力，利用CAE對變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，建立隨車吊變幅機(jī)構(gòu)的仿真模型，并對其工作過程進(jìn)行模擬運(yùn)動分析。在分析好模型與動態(tài)仿真后，為了達(dá)到變幅油缸受力最小，應(yīng)用相關(guān)軟件的參數(shù)化分析功能對其進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得變幅機(jī)構(gòu)綜合優(yōu)化尺寸。理論分析表明，該方法在保證優(yōu)化分析的可靠性和運(yùn)算精度的基礎(chǔ)上可明顯減小油缸受力大小，并且優(yōu)化了變幅機(jī)構(gòu)尺寸,使其整體結(jié)構(gòu)更緊湊，同時(shí)改善了隨車起重機(jī)的整體性能。

隨車吊；CAE；動力學(xué)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

隨車吊是一種新型高效起重運(yùn)輸裝備，集起重、運(yùn)輸為一體，能自行裝載卸貨和運(yùn)輸?shù)膶Ｓ闷嘯1]。隨車吊變幅機(jī)構(gòu)是隨車吊關(guān)鍵的組成部分，它的設(shè)計(jì)參數(shù)合理與否，較大程度上決定著整體結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳力性能和穩(wěn)定性[2]。盡管國內(nèi)有不少學(xué)者對其進(jìn)行研究，往往只是對變幅機(jī)構(gòu)在某工作狀態(tài)下的特殊位置進(jìn)行分析，不能完整反映全部工作狀況。

換用另一種思路，將ADAMS軟件應(yīng)用于變幅機(jī)構(gòu)中，可對其在各工作狀態(tài)下的受力進(jìn)行分析，更能滿足高效、靈活、多樣化的設(shè)計(jì)要求。利用設(shè)計(jì)研究和試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能對整個(gè)變幅機(jī)構(gòu)不斷改進(jìn)，直至確立產(chǎn)品最好的仿真模型，得到最好的設(shè)計(jì)性能[3]。由此可減少研發(fā)周期的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的損失。

1 變幅機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的建立

折臂式隨車吊變幅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

1.1 變幅機(jī)構(gòu)模型的建立

CAE為多體動力學(xué)仿真提供數(shù)字參數(shù)化機(jī)制，為使用者設(shè)計(jì)、優(yōu)化模型提供極大的便利[4-5]。

為方便后面的步驟，先簡易隨車吊虛擬樣機(jī)模型，只將主要的活動構(gòu)件保留，可減少約束添加的操作量和計(jì)算機(jī)計(jì)算量。由于各部件間的鉸點(diǎn)位置對綜合優(yōu)化的影響最大，所以在建立虛擬樣機(jī)模型時(shí)盡量要保證1～10鉸點(diǎn)位置準(zhǔn)確無誤[6]。各鉸點(diǎn)的相對位置如圖2所示。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)的簡化圖1.回轉(zhuǎn)立柱 2.主折疊臂 3.次折疊臂 4.6級伸縮臂5.變幅油缸I 6.變幅油缸Ⅱ 7.六桿機(jī)構(gòu)I 8.六桿機(jī)構(gòu)Ⅱ

圖2 變幅機(jī)構(gòu)折疊二維圖

因?yàn)楦鳂?gòu)件變形量較小，從而假定各構(gòu)件均為剛體。虛擬樣機(jī)模型建完后，手動添加部件質(zhì)量、慣性矩和質(zhì)心位置[5]，建好后的三維圖如圖3所示。

圖3 變幅機(jī)構(gòu)ADAMS模型

1.2 變幅機(jī)構(gòu)的約束添加和定義驅(qū)動

依照各構(gòu)件實(shí)際工作時(shí)的相互運(yùn)動關(guān)系手動添加運(yùn)動副，并對其加載邊界條件。變幅機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)立柱相對地面是靜止的，所以用固定副將它與地面連接。同理在1～10鉸點(diǎn)處分別添加與轉(zhuǎn)軸垂直的轉(zhuǎn)動副，而在兩變幅油缸缸筒和活塞桿間添加沿著油缸方向的移動副。再在兩個(gè)移動副上分別添加驅(qū)動，根據(jù)不同工況要求設(shè)置STEP驅(qū)動函數(shù)來實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸縮運(yùn)動，從而帶動吊臂運(yùn)動。

2 變幅機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真分析

2.1 變幅機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真準(zhǔn)備

實(shí)際工況如表1所示。

表1 工況表

以在起升質(zhì)量為6 500 kg，工作幅度為8.4 m的工況二下工作為例，根據(jù)起重力和中長臂工況參數(shù)計(jì)算得到外載荷大小為30 380 N。設(shè)定End Time為120 s，Steps為500步，開始模擬仿真測試。

2.2 變幅系統(tǒng)在實(shí)際工況下仿真及分析

通過仿真，獲得兩變幅油缸受力變化曲線如圖4所示。分析變幅油缸I的受力曲線：0～10 s主折疊臂及六級伸縮臂整體質(zhì)心轉(zhuǎn)移到回轉(zhuǎn)立柱上，受力有一定減??；10～20 s主折疊臂帶動六級伸縮臂伸展到水平位置接著在20～50 s六級伸縮臂伸到最大處，主折疊臂及六級伸縮臂質(zhì)心距離回轉(zhuǎn)中心非線性增大從而油缸I受力增加且有波動；50～65 s主折疊臂和六級伸縮臂抬起直到臂與水平面夾角為78°時(shí)停止，這時(shí)主折疊臂和六級伸縮臂到臂架回轉(zhuǎn)中心距離變短，從而I的受力減小[7-8]。同理可分析變幅油缸II的受力變化曲線。

圖4 兩變幅油缸受力變化曲線

3 基于參數(shù)化方法變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 建立變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型

利用ADAMS參數(shù)化設(shè)計(jì)功能依次將這10個(gè)點(diǎn)的X與Y坐標(biāo)參數(shù)化，得到了共20個(gè)設(shè)計(jì)變量DV1～DV20。設(shè)定好這20個(gè)參數(shù)化變量，隨車吊變幅機(jī)構(gòu)各組件間的位置便可以唯一確立。

3.2 變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

3.2.1 變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

依據(jù)這十個(gè)鉸點(diǎn)間的幾何關(guān)系，考慮變幅機(jī)構(gòu)各部件的干涉問題，對這10個(gè)變量在各自的取值范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。目標(biāo)函數(shù)確立為油缸I受力最小，由分析可得，變量DV_1在初始值處對隨車吊油缸I的敏感度為89.459。

同理，通過分析報(bào)告還可得出DV2～DV20在初值處對變幅油缸I受力的敏感度，將其值列于表2中。比較可知DV4～DV7,DV9,DV10在初值處對變幅油缸I受力的敏感度較大，由于敏感度越大對性能影響越大，從而對變幅油缸I的受力影響最大。故取這6個(gè)變量綜合考慮，觀察多變量同時(shí)改變給隨車吊油缸I受力帶來的變化。

3.2.2 變幅機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對變幅油缸I影響最大的六個(gè)變量進(jìn)行綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。由結(jié)果分析知當(dāng)DV4～DV7,DV9,DV10的值分別為1651，-930，1761，-434，-405，1423時(shí)變幅油缸I受力最小。用優(yōu)化后的變量值替換原先建模時(shí)變量的坐標(biāo)值，得到優(yōu)化后新模型。優(yōu)化前后變幅油缸I受力對比如圖5所示。

表2 設(shè)計(jì)變量對變幅油缸I的敏感度

圖5 優(yōu)化前后變幅油缸I受力對比圖

分析后可知，利用CAE軟件的綜合優(yōu)化功能可以起到降低隨車吊油缸I受力大小的作用[9]。優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比如表3所示。由同上的步驟優(yōu)化隨車吊變幅油缸II的受力也可得到相同的結(jié)論。

表3 優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比 /N

4 結(jié) 語

通過CAE軟件對隨車吊變幅機(jī)構(gòu)建模、仿真可完整分析機(jī)構(gòu)的全部運(yùn)行狀況，直觀了解該機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的位置和是否干涉。同時(shí)為了變幅油缸受力最小，對10個(gè)參數(shù)點(diǎn)進(jìn)行綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì),得到部件間最合理的相對位置。由分析可知，CAE綜合優(yōu)化可有效降低油缸的受力，延長工作壽命并且提高隨車吊變幅機(jī)構(gòu)的性能。

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Dynamics Simulation and Optimization of Luffing Mechanism for Truck-Mounted Crane

CAO Wen-gang， CHEN Ying-hang， ZENG Jin-yue

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,HefeiAnhui230009,China)

In order to reduce the stress of cylinder of the lorry crane luffing mechanism, CAE software is used to research the luffing mechanism and establish the virtual prototype model of crane luffing mechanism and do the simulation of motion analysis. When model and simulation analysis are well established，in order to achieve the minimum force of cylinder, the optimal design is done， the optimization dimensions of luffing mechanism are obtained. Theoretical analysis shows that the method can obviously reduce the stress of the cylinder based on guaranteeing the reliability of the optimization analysis and operation precision，the size of the luffing mechanism is optimized to make the overall structure more compact，and the overall performance of lorry crane is improved.

truck-mounted crane; CAE; dynamic simulation analysis; optimization design

2014-01-20

曹文鋼(1957-)，男，河北淶源人，教授，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，CAD/CAE。

TH211

A

1007-4414(2014)02-0058-03