浅析虚拟样机技术的自卸车举升机构仿真与优化

　　1  前言
　　在传统的产品设计与开发中, 一般在完成概念设计、方案论证和产品设计后, 还要进行样机试制及验证。随着计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用, 虚拟样机技术逐渐成熟起来。借此工程技术人员可以在计算机上建立机械系统的模型, 伴之以三维可视化处理, 模拟在现实环境下系统的运动和动力特性, 并根据仿真结果优化系统的设计, 以在设计早期确定关键的设计参数、缩短开发周期, 降低成本、提高产品质量。自卸车作为一种专用汽车, 其生产具有小批量、多品种的特点, 根据用户产品的特殊要求其举升机构有不同的结构形式和性能指标。这就要求生产厂家应能根据用户的需求迅速作出反应, 设计生产出满足用户需求的产品来。使用虚拟样机技术(软件采用目前世界上著名的多体系统动力学分析软件ADAMS)对自卸车举升机构进行仿真参数化处理, 进行优化设计, 这样不但可以大大加快产品的开发速度, 还可以实现用户对产品的定制。下面就以S T3140 型自卸车(举升机构为前推连杆放大式)为例, 对整个设计过程进行详述。
　　2  建立自卸车举升机构的虚拟样机
　　2 .1  建立自卸车的虚拟样机模型
　　对于样机的建模, 由于ADMAS 软件的实体建模功能不强, 所以笔者在UG 软件中建立起自卸车的三维实体模型, 通过Parasolid 数据内核将数据转换到ADAMS 中。而对于举升机构的关键构件如三角板、拉杆和油缸等, 直接在ADAMS 中建模。
　　2 .2  样机模型的抽象
　　为了简化模型, 可将自卸车举升机构的样机模型抽象成等效模型。:以车厢与副车架的铰支点O 为原点建立坐标系, ABC 为三角板、BD 为拉杆、CE 为油缸。在A点三角板与车厢铰接, 在B 点三角板与拉杆铰接, 在C 点三角板与油缸铰接, 在D 点拉杆与车厢铰接, 在E 点油缸与副车架铰接。ABCDE 、ABCDE 分别为举升机构举升前、后的位置。
　　2 .3  关键位置参数的初步确定
　　A 、B 、C 、D 、E 各点的坐标选取是举升机构设计的关键, 一般的方法是根据作图法和经验法先确定一个初始值, 然后进行优化。这里笔者根据开发的自卸车快速设计系统[ 2] , 计算出初始位置。另外, 对于其他的重要位置参数, 如副车架尺寸、车厢尺寸, 也都借助该设计系统得出。
　　2 .4  建模、仿真过程中的注意事项
　　在ADAMS 中建模时, 注意将2 根拉杆和2块三角板分别联合成一个受力构件, 统一设定约束, 否则样机无法进行举升。
　　3  对虚拟样机进行运动仿真分析
　　借助ADAMS 进行运动仿真分析主要包括:①干涉分析。研究举升机构各个构件在举升过程中有无运动干涉, 受力是否合理;②运动分析。是否完成预期的运动(即能否完成自卸), 在运动仿真过程中有无参数值的突变、仿真的骤停;③设置仿真输出。使用ADAMS/PostProcessor对样机各点的受力情况进行分析, 输出样机的主要设计指标举升力和举升角之间的关系曲线, 并与经验数据曲线进行比较, 看是否符合设计要求。
　　若样机无法完成运动仿真, 或在仿真过程中有异常(举升力曲线发生突变), 则应该检查模型是否有多余的约束或运动副, 增加辅助分析工具,并进一步完善模型, 直到运动仿真可以进行。由于本项工作的初始位置来源于基于经验法计算的自卸车快速设计系统的计算结果。经过仿真分析可知:样机模型从开始运动到达到规定的最大举升角(50)的举升过程中无运动干涉, 举升力曲线没有突变, 最大举升力低于设定的200 kN，与经验数据相符合, 可作为样机优化设计的初始位置。
　　4  样机模型参数化
　　优化设计的目标是, 在举升质量、最大举升角不变的前提下, 改变三角板、拉杆等部件的结构尺寸, 以获得尽可能低的举升力, 降低液压系统的工作压力, 实现油缸的经济选型。这就需要不断地修改虚拟样机模型, 而利用ADAMS/View 提供的参数化建模和分析功能, 可以避免大量的重复建模工作, 提高分析效率。
　　通过参数化建模, 将举升机构中各构件的位置参数设置为可以改变的变量。在分析过程中,只需改变其中一个或数个参数的数值, 程序就可以驱动机构其他部分跟着联动(构件及其相关构件的尺寸、形状、质量等都随之变化), 自动更新整个样机模型。
　　选取这5 个点的坐标(纵坐标和横坐标)进行参数化处理, 将它们定义成设计变量, 使样机模型成为有10 个设计变量的参数模型。
　　5  优化设计及其优化结果
　　优化分析是ADAMS/View 提供的一种高级参数化计算、分析工具, 可对举升机构进行优化,在设定的变化范围内, 通过分析程序自动地调整设计变量, 求取举升机构的最佳布置位置(在该位置时的举升力曲线峰值是各位置中最小的)。对举升机构的样机进行优化设计的具体实现方法有如下2 种:第一种是将各个设计变量同时考虑, 进行仿真分析, 得出优化结果, 这种方法在设计变量数较少时适用, 变量数较多时, 其计算量太大;第二种方法是先分别对每个设计变量单独进行优化分析, 研究各变量的灵敏度, 选取灵敏度最高, 即对设计影响最大的几个位置变量进行调整, 得出优化结果, 该方法在设计变量较多时适用。由于设计变量多达10 个, 因此选用第二种方法对样机进行优化计算
　　先对10 个设计变量逐一进行优化, 得到各点位置的第一次优化值, 同时得到各点的位置灵敏度值大小, 可知B 点的纵坐标Y B , C 点的纵坐标Y C 和E 点的横坐标X E 的位置灵敏度最高, 因此选取这3 个参数作为设计变量进行优化, 并根据第一次优化的结果对其他参数做微调, 从而得到各点位置的第二次优化值。其结果如表1 所示。
　　在优化前油缸的最大举升力值和起始举升力值分别为162 kN 和132 kN , 而在优化后分别为116 kN 和108 kN , 各下降了28 .4 %和20 .7 %。优化前举升力随举升角的变化波动较大, 达到最大举升角时, 举升力上升明显;而优化后, 举升力曲线走势平缓, 较为理想。因此优化后效果明显, 完全符合计算要求。
　　6  结束语
　　利用ADAMS 软件将自卸车举升机构建成虚拟样机模型, 进行动力学仿真、参数化处理, 完成了对机构的运动干涉分析、受力分析和位置布置的优化。在设计早期便确定了举升机构的关键位置参数, 其结果形象直观, 仿真效果良好, 为举升机构的设计提供了一种方便、实用的分析方法。