基于ADAMS的挖掘机工作装置的仿真与优化设计概要(共15页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第30卷第3期2009年3月煤矿机械CoalM ine MachineryVol.30No.3Mar.2009基于ADA MS的挖掘机工作装置的仿真与优化设计潘玉安1,程洪涛2,姜迪友2,梁刚3,聂陶荪1(1.景德镇陶瓷学院机电工程学院,江西景德镇;2.江西蓝天学院(瑶湖校区,南昌;3.景德镇高等专科学校,江西景德镇摘要:建立了该类反铲挖掘机工作装置虚拟样机的ADAMS仿真模型,基于虚拟样机技术和广义简约梯度法以铲斗、斗杆和动臂油缸的工作压力最小为目标,对铲斗机构、斗杆机构、动臂机构的构造点进行了仿真优化设计。仿真结果表明,在规定的约束条件下,工作装置达到了优化设计的目的。关键词:ADAMS;挖掘机;工作装置;仿真中图分类号:T D422.2文献标志码:A文章编号:1003-0794(-0015-03Based on ADA MS of W orki n g Equi p ment ofExcavator Devi ce Si m ul ati on and Desi gn Opti m i zati onPAN Y u-an1,CHENG Hong-t ao2,J I ANG D i-you2,L I ANG Gang3,N I E Tao-sun1(1.Mechatr onics College,J ingdezhen Cera m ic I nstitute,J ingdezhen,China;2.J iangxi B lue Sky University Yaohu B ranch,Nanchang,China;3.J ingdezhen Comp rehensive College,J ingdezhen,ChinaAbstract:Backhoe work device of the class virtual p r ot otype ADAMS si m ulati on mode has been estab2 lished.The m ini m u m target which bucket and ar m and boom oil cylinder of working p ressure based on virtual p r ot oyp ing technol ogy and generalizded reduced gradient method.Op ti m ized the bucket mecha2 nis m,ar m mechanis m and boom mechanis m of the constructi on point.Under the regulati ons of constraint conditi ons,the si m ulati on results show that it successfully.Key words:ADAMS;excavat or;working equi pment;si m ulati on0引言单斗挖掘机是一种应用广泛的工程机械。由于它的经济性及具有适应多种用途的优点,液压挖掘机已成为工程机械的主流产品。单斗挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政施工等土石方施工中均占有重要地位,是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备,是国民经济迫切需要的装备。挖掘机反铲工作装置的优化设计是一个复杂的非线性规划问题,选择一种较为合适的算法对于问题的求解是有很大帮助的。1优化算法的分析简约梯度法是非线性规划的单纯形法应用于仅具有线性约束的非线性规划问题,于1963年由Wolfe提出,该方法利用约束条件把一些变量用另一些变量来表示,即将变量空间简约(降维,并根据目标函数在简约空间的梯度确定搜索方向,因此该方法称为简约梯度法(简称RG法。1969年Ab2 adie等人将简约梯度法推广到非线性约束的优化问题,产生了广义简约梯度法(简称GRG法。AD2 AMS提供OPT DES-GRG(广义简约梯度算法和OPT DES-S QP(二次规划算法2种算法,通过分析和比较,本文采用了数学规划法中的广义简约梯度法作为优化算法。广义简约梯度法在通用性、有效性和可靠性等方面在各类非线性规划中都是较突出的,此算法同其他有效约束优化一样,可以在某方向微小位移下保持约束的有效性。其特点是寻优时沿边界进行搜索,而结构优化的解往往是位于边界上。广义简约梯度法是简约梯度法推广到具有非线性目标函数和非线性约束问题的处理方法,其实质都是通过变量的隐式消元,转化为无约束极值问题处理。GRG法是目前求解约束非线性最优化问题最有效的方法之一。GRG法所求解的非线性规划问题可归结为如下形式m in F(XXE ns.t H(X=0LXUL,UE n式中H(X=h1(X,h2(X,hm(XT L=l1,l2,l2T,U=u1,u2,u nT在求解时,首先将X的全部分量分解为2部分,即:X=X BX N式中XB基向量,m维;XN非基向量,n-m维。相应地,有L=L BL N,U=U BU N由隐函数存在定理可知,存在连续映射X B=V(X N(1目标函数F(X转化为F(X=F(X B,X N=f(X N(2于是,原来n个变量的目标函数F(X变为n-m个变量的函数f(X N。则f(X N在X k关于X N的梯度即为简约梯度。则F(X关于XN的简约梯度为f(X k N= N F(X k- N H(X k B H(X k-1 B F(X k(3简记简约梯度f(X N k=r1,r2,r n-mT(4定义S k=s1,s2,s n-mT其中S k j=当x km+j=lm+j且rj>0时,或当x km+j=um+j且rj>0时-rj,其余情形(5使得X k+1N=X k N+S k(6然后令Y=X k B,用式(7进行迭代Y c+1=Y c- B H(Y0,X k+1N -1H(Y c,X k+1Nc=1,2, (7最后,求得满足H(Y c+1,X k+1N=0的Y c+1。2工作装置虚拟样机的仿真模型与ADAMS优化算法的设置2.1工作装置虚拟样机的仿真模型根据某液压挖掘机的试制图纸得到挖掘机各构件的自重,其重心位置可从导入到ADAMS中的挖掘机虚拟样机得到。由于在建模时,不可能将挖掘机的各个构件非常详尽地构造,也没有这个必要。只要将构件的外廓尺寸完整地构造出来,其重心(质心位置便确定。在仿真时,只需要将ADAMS 中相应构件的重力数值更改为设计值即可比较真实正确进行挖掘机的动力学仿真。2.2ADAMS优化算法设置本文的思路就是根据理论计算,在初步设定一定工作阻力的情况下,探索更合理的结构,从而使油缸工作压力最小化。从而当系统压力一定时,整机实际挖掘力就会更大。(1设置收敛误差限收敛误差限在优化中的含义是指在某个优化过程顺利完成前,目标函数的差分值区间必须越来越小;当目标函数相邻2次值差的绝对值小于收敛误差限就认为优化完成。本次优化收敛误差限采用默认值1.0E-003。(2迭代次数迭代次数定义中最大值(Max.iterati ons是指优化算法出错前可进行的最多迭代数,本次优化设为100。重新调整数是指在设计变量更改后所取的迭代数,如果设置为-1,则调节关闭,保持原值,本次优化设为-1。(3差分方式有限差分法的技巧是指用于控制优化器计算设计函数梯度的方式。软件中采用的有2种:中心差商和向前差商。本次优化采用向前差商,所以后面选择优化区间的时候要考虑到向前差商,增益取110E-003。3工作装置各机构的优化3.1铲斗机构优化铲斗挖掘工况下,主要优化铲斗机构的相关构造点。优化设计的思路是首先对机械系统进行仿真优化,从而使机构更加合理,液压缸冲击更小。从图1中可以看出,铲斗油缸最大作用力为×105N。最大作用力发生在9.02s时候,即挖掘时受阻力最大的时候,这说明当机构运动到这一点时,铲斗的实际挖掘力最大,所以有必要对这一点进行优化,以改善铲斗挖掘力。主要通过调整P O I N T_18_7、P O I N T_18_8、P O I N T_18_9、P O I N T_18_ 10、P O I N T_18_11的坐标,也就是通过调整变量DV_ 13DV_22来改善油缸作用力。以铲斗缸的作用力lift_f orce最大值为研究对象,分别以上述变量进行设计研究,找出哪个变量的变化对该力的影响最大,从而为进一步的优化打下基础。下面以各初始值的变化区间为50mm,default levels设置为5。通过运行设计研究,发现DV_13、DV_14、DV_15、DV_ 16、DV_18、DV_19、DV_20的敏感度较大,也就是这几个变量对目标函数的影响较大,通过分析铲斗油缸作用力随以上几个变量的变化趋势,并且充分考虑上述变量对机构造型、机构尺寸、机构工作效率、油缸长度等因素的影响,将各变量初始值对应的敏感度以及相应的变量优化区间列入表1。图1铲斗油缸作用力曲线因为优化之后,油缸的两端安装位置发生了变化,为了保证油缸的最小安装尺寸,需要在保证油缸作用力变化不大的情况下,对优化后的油缸两端点进行调整,调整时还要保证不能使油缸行程增加太多,以免影响油缸工作稳定性。调整之后各优化变量的值如表2所示。表1铲斗机构各变量初值及优化区间变量初始值敏感度 变量收敛区间DV_13-1.-2.0013-1.8563DV_14-2.7668-2.7918-2.7668DV_15-0.8637-15450-0.8637-0.8137DV_16-1.-1.7814-1.7564DV_17-0.-DV_18-1.-1.7193-1.3693DV_19-0.-0.5762-0.5262DV_20-1.7156-1125-1.7656-1.7156DV_21-0.-DV_22-1.6184198-表2优化前后变量值对照表变量DV_13DV_14DV_15DV_16优化前-1.9813-2.7668-0.8637-1.7564优化后-1.9463-2.7918-0.8287-1.7714变量DV_18DV_19DV_20优化前-1.3693-0.5262-1.7156优化后-1.4254-0.5534-1.7524优化前后铲斗缸作用力的对照曲线如图2所示。 图2优化前后铲斗油缸作用力比较1.优化前2.优化后从图2可以看出,通过优化构造点的坐标,油缸最大作用力从1.1741×105N 减小到1.1435×105N 。3.2斗杆机构优化斗杆机构的优化思路跟铲斗机构一样,寻求斗杆油缸最大作用力的最小值。优化前后斗杆油缸作用力对照曲线如图3所示。 图3优化前后斗杆油缸作用力对比1.优化前2.优化后从图3中可以看出,油缸最大作用力从3.0812×105N 减小到2.9972×105N 。3.3动臂机构优化动臂挖掘基本上不采用,动臂更多的时候是体现它的提升功能。优化调整前后动臂缸作用力如图4所示。图4优化前后动臂缸作用力1.优化前2.优化后从图4中可以看出,优化后动臂缸的最大作用力有了大幅度下降,从优化前的4.1186×105N 降到3.0521×105N 。4结语以油缸作用力最小为目标函数,对铲斗机构、斗杆机构和动臂机构进行了优化,有效地减小了油缸作用力,从而使机构更加合理。本次优化不是将3个机构分开来进行的,而是以工况为基础,整机进行的,避免了将3个机构分开进行仿真的局限性。因为整体优化考虑了一个机构对于另一个机构的影响。通过对机构进行优化,有效减小了油缸作用力。参考文献:1南英.挖掘机机电一体化技术的发展概况J .国外工程机械,1991(3:25.2钦培中.液压挖掘机的全自动水平控制机构J .国外工程机械,1993(2:36-38.3解可新,韩立兴,林友联.最优化方法.天津:天津大学出版社,1998.4陈育仪.工程机械优化设计M .北京:中国铁道出版社,1987.5郑建荣.虚拟样机技术入门与提高M .北京:机械工业出版社,2002.6范成建.虚拟样机软件MSC .ADAMS 应用与提高M .北京:机械工业出版社,2006.7邵忍平,黄欣娜,杨振平.单斗液压挖掘机工作装置优化设计J .机械设计,1995(10:53-55+58.8(美邢文俊,陶永志,译.MSC 、ADAMS/V ie w 高级培训教程K.北京:清华大学出版社,2004.9金海薇,李冬伟.挖掘机反铲工作装置的设计与仿真系统J .煤矿机械,2004,25(8:56-58.10李洪喜,李艾民,曹兆富.悬挂式液压挖掘机工作装置仿真分析J .煤矿机械,2008,29(1:45-46.作者简介:潘玉安(1965-,景德镇陶瓷学院机电学院办公室主任,副教授,1987年毕业于江西工业大学机制专业,现从事机电专业课程的教学和研究工作,电话:0798-*,电子信箱:pya61001sina .com.收稿日期:2008-11-04专心-专注-专业