一種挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型集成優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用ISIGHT優(yōu)化平臺(tái)綜合調(diào)用Solidworks三維建模軟件和 ANSYS有限元分析軟件的挖掘機(jī)工作裝置集成優(yōu)化方法，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 挖掘機(jī)工作裝置是影響液壓挖掘機(jī)工作效率的一個(gè)重要部分，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法多 采用靜力計(jì)算確定工作裝置的受力，依靠安全系數(shù)的選取保證其強(qiáng)度及可靠性的經(jīng)驗(yàn)方 法，而挖掘機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，工作裝置時(shí)刻處于振動(dòng)之中，且其振動(dòng)為復(fù)雜周期振動(dòng)的合 成，因此承受動(dòng)態(tài)載荷帶來(lái)的沖擊與振動(dòng)問(wèn)題。在挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)的固 有頻率與外載的激振頻率接近，以防止發(fā)生共振。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能保證其動(dòng)態(tài)性能滿 足實(shí)際要求。對(duì)于挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化應(yīng)在工作裝置結(jié)構(gòu)約束條件的前提下固有頻率最 大為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的利用ANSYS等軟件的優(yōu)化由于受到軟件優(yōu)化能力的局限，因此 并不能得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種挖掘機(jī)工作裝置動(dòng) 力學(xué)模型集成優(yōu)化方法，利用I SIGHT優(yōu)化平臺(tái)綜合調(diào)用So 1 i dworks三維建模軟件和ANSYS 有限元分析軟件的挖掘機(jī)工作裝置集成優(yōu)化方法，該方法運(yùn)用Solidworks對(duì)工作裝置進(jìn) 行建模，并運(yùn)用ANSYS對(duì)工作裝置進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)ISIGHT優(yōu)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)仿真 和優(yōu)化，并最終取得全局優(yōu)化解，提高挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化效率和優(yōu)化精度。
[0004] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型集成優(yōu)化方法，其特征在于：包括以下步驟：
[0006] (1)利用三維建模軟件Solidworks'對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行三維建模，首先保存 為SLDASM文件，然后將其另存為*. x_t文件，為Solidworks和ANSYS之間的數(shù)據(jù)傳輸做 準(zhǔn)備。
[0007] (2)在ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置模型的修改和簡(jiǎn)化處理，通 過(guò)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的強(qiáng)度剛度進(jìn)行分析，得到ANSYS集成優(yōu)化所需的Input, txt輸入文 件和Output, txt文件。Input, txt輸入文件包括兩個(gè)部分：solidworks模型文件? x_t文 件以及ANSYS的命令流文件.1 gw文件。
[0008] (3)Solidworks通過(guò)專用組件與ISIGHT進(jìn)行集成，選取*? SLDASM文件中的相關(guān)參 數(shù)作為優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量。通過(guò)勾選Show Solidworks during execution選項(xiàng)可以觀 察Sol idworks運(yùn)行情況。
[0009] (4) ANSYS通過(guò)通用組件與ISIGHT進(jìn)行集成，選取輸入文件中的相關(guān)參數(shù)作為優(yōu) 化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量；
[0010] (5)采用批處理的方式借助Ansys. bat腳本的方式驅(qū)動(dòng)ANSYS進(jìn)行有限元分析；
[0011] (6)讀取輸出文件，從中調(diào)取挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)值和約束值；
[0012] (7)利用ISIGHT中的梯度優(yōu)化策略，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的修正，并將修正后的參數(shù)值 重新返回到輸入文件中，分別傳遞至Solidworks和ANSYS中進(jìn)行下一輪優(yōu)化迭代；
[0013] (8)直到輸出文件傳遞出的目標(biāo)值在制定迭代步數(shù)內(nèi)達(dá)到最優(yōu)，則集成優(yōu)化結(jié)束， 輸出全局最優(yōu)解。
[0014] 首先根據(jù)任務(wù)要求，確定挖掘機(jī)工作裝置的獨(dú)立設(shè)計(jì)變量、約束條件和頻率目標(biāo) 函數(shù)，利用Solidworks軟件建立實(shí)體模型，并使用方程式對(duì)有函數(shù)關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)約 束，保留獨(dú)立設(shè)計(jì)變量作為優(yōu)化參數(shù)。然后將其導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行進(jìn)一步的完善，建立其有 限元模型，并計(jì)算求解。
[0015] 所述的所述挖掘機(jī)工作裝置的獨(dú)立設(shè)計(jì)變量、約束條件和頻率目標(biāo)函數(shù)如下：
[0016] X = [xl, x2, x3, x4, wl]
[0017] maxF = FREQ5
[0018] 250 ^ xl ^ 350, 450 ^ x2 ^ 650
[0019] 1200 ^ x3 ^ 1600, 1875 ^ x4 ^ 2500
[0020] 0. 01 ^ wl ^ 0. 02
[0021] 其中，挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)變量集合X中，xl = 'D9@草圖l@dongbi618_Part'， 為動(dòng)臂三角形較短邊的長(zhǎng)度；X2 = 'D3@草圖l@dougan618_Part'為斗桿三角形中最短邊 的長(zhǎng)度；x3 = ' D60草圖l@chandou618_Part'為f產(chǎn)斗的總長(zhǎng)度；x4 = ' D10凸臺(tái)-拉伸3@ dongbi618_Part'為動(dòng)臂的寬度；wl為動(dòng)臂、斗桿和鏟斗中各個(gè)板的厚度；max F為挖掘機(jī) 工作裝置的頻率目標(biāo)函數(shù)，F(xiàn)REQ5為模態(tài)分析的第5階頻率。
[0022] 挖掘機(jī)工作裝置模態(tài)分析的頻率目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)諧響應(yīng)分析的位移-頻率曲線 確定的。
[0023] 有益效果：本發(fā)明提供的挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型的集成優(yōu)化方法， 利用ISIGHT多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)對(duì)Solidworks-ANSYS進(jìn)行綜合式集成優(yōu)化。運(yùn)用 ISIGHT-Solidworks-ANSYS的集成優(yōu)化模式，簡(jiǎn)化了工作裝置的建模，大大減少了設(shè)計(jì)人員 的工作量。通過(guò)嵌套和組合任意的求解策略，對(duì)設(shè)計(jì)問(wèn)題智能化的探索，不斷選擇新的設(shè)計(jì) 初始值，從而進(jìn)行自動(dòng)地仿真和優(yōu)化，可以用來(lái)解決不同的分析問(wèn)題。ISIGH在每次運(yùn)行 分析的過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，產(chǎn)品的參數(shù)變更引起的產(chǎn)品整體的變化、設(shè)計(jì)參數(shù)輸 入和性能參數(shù)輸出都可以在過(guò)程中顯示。通過(guò)本發(fā)明的優(yōu)化，較好的解決了挖掘機(jī)工作裝 置的模態(tài)分析問(wèn)題，最終獲得令挖掘機(jī)工作裝置模態(tài)性能更優(yōu)的全局解。其不僅可以利用 ISIGHT優(yōu)化軟件自動(dòng)搜索到滿足性能要求的最優(yōu)解，而且在保證挖掘機(jī)工作裝置在滿足結(jié) 構(gòu)約束的前提下，進(jìn)一步提高了工作裝置的固有頻率，增強(qiáng)了工作裝置的剛度，減小了結(jié)構(gòu) 的變形，在實(shí)際使用中取得了良好的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為挖掘機(jī)工作裝置模型示意圖；
[0025] 圖2為諧響應(yīng)分析位移-頻率響應(yīng)曲線圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明的集成流程圖；
[0027] 圖4為梯度優(yōu)化迭代曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0029] 建立挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化模型
[0030] 結(jié)合圖1，挖掘機(jī)工作裝置的主要部件有動(dòng)臂1、動(dòng)臂油缸2、斗桿3、斗桿油缸4、鏟 斗5、鏟斗油缸6、連桿7和連桿8。本實(shí)施例中挖掘機(jī)工作裝置主要涉及的參數(shù)的初始值如 表1所示；
[0031] 表1優(yōu)化前挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)一覽
[0032]
[0033] 本發(fā)明中挖掘機(jī)工作裝置的材料選用16Mn，彈性模量E= 2. 06ell，泊松比0. 3,密 度7800kg/~3,實(shí)際工作中，動(dòng)臂1、動(dòng)臂油缸2和回轉(zhuǎn)平臺(tái)采用鉸接的方式，是一個(gè)固定結(jié) 構(gòu)，因此，在動(dòng)臂1、動(dòng)臂油缸2和回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接處的銷軸處進(jìn)行全約束。
[0034] 根據(jù)上述參數(shù)可以建立挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。
[0035] X= [xl,x2,x3,x4,wl]
[0036] maxF=FREQ5
[0037] 250 ^xl^ 350, 450 ^x2 ^ 650
[0038] 1200 ^x3 ^ 1600, 1875 ^x4 ^ 2500
[0039] 0. 01 ^wl^ 0. 02
[0040] 其中，挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)變量集合X中，xl= 'D9@草圖l@dongbi618_Part'， 為動(dòng)臂1三角形較短