基于MotionView/MotionSolve的举升机构动力学分析与优化设计

玫瑰有刺

　　1 引言
　　高空作业汽车是用来运送工作人员和器材到达指定现场进行作业的专用车辆。它用于邮电通讯、建筑装饰、市政建设、消防救护、高空摄影等领域，具有结构简单、机动灵活、转移迅速、覆 盖面广、到达作业地点能迅速投入工作等优点，因而得到了很快的发展[1-2]。

　　高空作业汽车主要由底盘、回转机构、举升机构、支架及控制系统等组成，举升机构是整个系统的核心，其设计质量决定了高空作业车的工作性能[3]。早期举升机构的设计使用图解法，作图繁琐，且精度较低。随着计算机技术的发展，解析方法逐渐被引入设计流程中，然而这种方法需要建 立举升机构详细的数学模型、定义目标函数和约束函数并编制相应的计算机程序，对设计人员的数 学基础和计算机技能提出了很高的要求，严重制约了举升机构的创新设计，因此研究一种简单、实用的举升机构优化设计流程是非常必要的。

　　本文提出基于MotionView/MotionSolve的举升机构优化设计流程，首先利用多体系统动力学分析模块 MotionView/MotionSolve建立举升机构动力学模型，分析初始设计方案的动力学性能;然后联合多学科优化模块HyperStudy建立该机构的参数化模型，通过优化铰点位置和连杆长度，减小液压油缸工作时所需的最大推力。研究结果表明，基于点辅助坐标的新一代多体动力学问题解决方案MotionView/MotionSolve特别适用于举升机构的优化设计。

　　2 举升机构动力学分析与优化设计流程
　　举升机构由基座、中臂、连杆及液压油缸构成，图1描述了该机构的装配关系。首先，根据 初始设计方案，利用三维建模软件创建该机构的三维装配图模型，检查装配关系并确认零件无干涉后保存模型;其次，将机构装配体模型导入多体系统建模模块 MoitonView中，根据机构中各零件 相 对运 动 关 系 添 加 约 束 副 及 其 他 参 数 ， 使 用 MotionSolve 求解模型，在后处理模 块HyperView/HyperGraph中查看机构运动动画和曲线图，评估初始设计方案的举升机构动力学性能;然后，利用 HyperStudy 创建该机构的优化分析模型，包括选择设计变量、定义响应函数、设 置约束条件、构建目标函数等，通过自适应响应面算法进行优化迭代，在HyperStudy 或 HyperGraph中查看优化结果;最后，根据优化结果(即机构中各零件连接铰点位置)重新设计机构。举升机构动力学分析与优化设计流程如图 2所示。




　　图1 举升机构装配示意图



　　图 2 举升机构动力学分析与优化设计流程图

　　3 举升机构动力学分析
　　MotionView 提供了 SolidWorks软件接口，可直接读入三维装配体模型，避免了模型在中间格式转换过程中的信息丢失。模型导入过程中可以根据实际需要选择是否自动计算模型的质量和惯量等信息。


　　根据举升机构实际工作过程定义各构件之间约束关系，如基座与连杆 B 之间的旋转副、基座与中臂之间的旋转副、中臂与液压油缸外筒的旋转副、液压油缸外筒与内筒之间的平移副等。根据设计要求，该型号举升机构须提供 50KN的举升力，在中臂远离基座端施加集中力模拟机构举升过程中承受的外载。为获得液压油缸在举升过程中的推力，在仿真模型中增加一个质量和惯量可以忽略的辅助构件，令斗杆油缸外筒与辅助构件通过移动副相连并施加随时间变化的位移，辅助构件通 过移动副与斗杆油缸内筒相连并连接有弹簧阻尼器，作业过程中液压油缸所需的推力等同于弹簧阻 尼器受到的力。定义完毕的动力学分析模型如图3所示。



　　图 3 举升机构动力学分析模型


　　采用 MotionSolve求解器求解该动力学模型，选择 DSTIFF 积分器，仿真时间 2s，步长 0.001s。求解结束后，可通过 HyperView查看机构运动历程，使用HyperGraph查看液压油缸推力曲线， 如图4 所示。



　　图 4 举升机构初始设计方案液压油缸推力曲线

　　由图4可知，举升机构初始设计方案在完成指定举升工况过程中，油缸推力呈现出先增大后降低的趋势，需要的最大推力为555KN，与以往经验相比，该油缸最大推力值偏大。接下来，优化连杆长度和各零件连接点位置，最大程度降低所需油缸推力。

　　4 举升机构优化设计
　　HyperStudy 是一款 CAE 环境下的试验设计、优化、随机性研究工具，适用于研究不同变化条件下设计变量的特性以及多学科优化设计。HyperStudy 与 MotionView无缝集成，完成举升机构动力学分析后，可在MotionView 界面中直接调用 HyperStudy。HyperStudy 能够直接获取 MotionView应用程序中的数据并将其转换为设计变量，提取结果输出作为响应函数，在完成约束函数和目标函数的定义后，HyperStudy利用其提供的优化引擎，将 MotionSolve纳入优化计算循环，不断调整在优化模型中设定的参数值，求解模型，直至满足优化目标[4]。

　　4.1 优化问题表述

　　通过调整连杆长度及各零件的装配关系，降低举升机构在指定工况下所需的最大推力[5]。优化过程中使用的设计变量(即零件铰接点坐标)如图 1 所示，表 1 描述了各坐标的初始值及相应的限值。



　　表 1 设计变量及限值

　　4.2 优化问题求解

　　HyperStudy 提供了自适应响应面法、序列二次规划法、基因算法及多目标混合优化法等多种优化算法[6]，同时还支持用户自定义算法。本研究使用自适应响应面算法进行优化迭代，设置最大迭代步为30步。经过25次循环，HyperStudy得到收敛解，目标函数和设计变量迭代历程如图5和图6所示，图7描述了优化前后液压油缸的推力曲线。



　　图 5 目标函数迭代历程　　



　　图 6 设计变量迭代历程



　　图 7 优化前后液压油缸推力曲线对比


　　由图7知，优化后，完成相同的工况，举升机构所需的液压油缸最大推力降低61.2%，举升性能得到明显改善。优化前后，设计变量取值如表2所示，根据表2可以重新设计连杆长度以及各构件的装配位置。



　　表 2 优化前后坐标点位置

　　5 结论
　　(1)研究结果表明，本文提出的基于 MotionView/MotionSolve 软件的机构动力学分析与优化设计流程方便可行，适用于高空作业车举升机构优化设计。
　　(2) MotionView/MotionSolve 作为新一代的基于点辅助坐标的多体系统动力学问题解决方案，其强大的前处理功能方便模型创建与编辑，完备的多体系统问题分析能力可快速准确完成机械系统 设计方案的校验与评估，通过与多学科优化平台 HyperStudy无缝联合，特别适合于机械系统优化相关问题的研究及企业实际应用。

　　6 参考文献
　　[1] 高空作业车的结构与设计.中国百科网[OL].
　　[2] 刘敏杰,刘聚德.几种举升机构的结构与性能分析[J].专用汽车,1992.
　　[3] 徐达,蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1998.
　　[4] 李修峰,王亚斌,王晨. MotionView & MotionSolve 应用技巧与实例分析[M]. 北京:机械工业出版 社,2013.

　　[5] 陈立周.机械优化设计方法[M].北京:冶金工业出版社,2005 [6] HyperWorks Reference Guide


转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_80a5ae310102vykc.html