workbench的機(jī)械臂的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計.docx

基于workbench的機(jī)械吊臂的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計何嘉華1 （1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣東省廣州市 510641）摘要:現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中，為數(shù)不少的設(shè)計將伸縮機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計為矩形截面，本文就以這種矩形機(jī)械伸縮吊臂為研究對象，利用有限元分析工具workbench進(jìn)行數(shù)值仿真，并通過其內(nèi)置專業(yè)優(yōu)化模塊Design Exploration對矩形結(jié)構(gòu)吊臂進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，探討了矩形截面各參數(shù)對伸縮機(jī)械臂最大正應(yīng)力的影響，求出吊臂輕量化最優(yōu)解，優(yōu)化結(jié)果表明：在保證臂架強度、剛度的前提下，臂架質(zhì)量降低了463.6kg約占優(yōu)化前臂架質(zhì)量的15.1%降低此類了機(jī)械吊臂的制造成本，降低了設(shè)備的使用能耗，為臂架設(shè)計及輕量化提供了理論依據(jù)關(guān)鍵詞：矩形截面；吊臂；workbench ；多目標(biāo)優(yōu)化 Abstract: In the modern mechanical design, there are large number of the telescopic arm structure design for rectangular cross section, in this paper, the rectangle mechanical telescopic boom treated as the research object, using the finite element numerical simulation analysis tool workbench, and through its built-in professional optimization module Design Exploration to finish rectangular structure multi-objective optimization Design, the influence of the parameters of the telescopic arm rectangular section to the maximum normal stress are discussed ,and the crane jib lightweight optimal solutions. the optimization results show that under the premise of guarantee the boom strength, stiffness, boom quality decreased 463.6 kg accounted for about 15.1% of the optimization of the forearm rack quality. Reducing such a mechanical arm manufacturing costs and the energy consumption of equipment, providing a theoretical basis for the boom and lightweight design.Keywords:rectangular section; boom; workbench; multi-objective optimization前言 矩形截面伸縮吊臂廣泛應(yīng)用于大型吊車中，港口集裝箱裝卸、堆碼和水平作業(yè)的特種工程設(shè)備也都含有此類伸縮臂結(jié)構(gòu)，也用于鐵路中轉(zhuǎn)站和工作中轉(zhuǎn)站的貨物搬具有機(jī)動靈活、操作方便、穩(wěn)定性好、堆場利用率高等優(yōu)點1。矩形截面機(jī)械臂如圖1所示 圖1 吊車簡圖1 臂架建模與數(shù)值仿真由于大臂，小臂受力情況類似，機(jī)械臂大臂小臂均為矩形截面，本文只分析小臂截面各參數(shù)與機(jī)械臂最大正應(yīng)力之間的關(guān)系，分析大臂與機(jī)械臂最大正應(yīng)力之間的關(guān)系方法類似，故本文不做分析。實際設(shè)計的機(jī)械臂出于制造或安全等因素都設(shè)計有倒圓倒角結(jié)構(gòu)，但這些對于本文分析的目的影響不大，如果建模含有倒圓,在劃分網(wǎng)格的時候?qū)a(chǎn)生大量的有限元單元增加計算機(jī)計算時間且降低了網(wǎng)格質(zhì)量2。所以在實體建模時采用適當(dāng)簡化模型?，F(xiàn)在測得某公司生產(chǎn)的吊車小臂矩形面各尺寸，利用pro/e建立機(jī)械臂的三維簡化模型，然后通過pro/e上的接口把三維模型導(dǎo)入workbench軟件中，之后在workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析。網(wǎng)格劃分采用Hex dominant Method方法，單元大小取50mm,當(dāng)機(jī)械臂完全伸出的時候小臂相當(dāng)與固定在大臂上，故小臂左端固定約束，右端承重40噸，此時臂架自身重量不可忽略,需要設(shè)置Standard Earth Gravity載荷，靜力分析結(jié)果如圖2所示。圖2 優(yōu)化前吊臂應(yīng)力分析結(jié)果求解結(jié)果知道最大應(yīng)力為116.7Mpa,遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力=250Mpa /1.4=178Mpa,其中1.4為安全系數(shù)。質(zhì)量為3.687t,變形量為8.5502mm,因此該種吊臂存在較大的優(yōu)化空間，要尋找最佳設(shè)計使得材料物盡其用，使吊臂輕量化。2參數(shù)建模 利用workbench進(jìn)多目標(biāo)行優(yōu)化設(shè)計，必須先對臂架進(jìn)行參數(shù)建模。吊車伸縮小臂架為矩形截面，伸縮臂截面尺寸由基本臂截面尺寸控制，以基本臂截面尺寸建立參數(shù)化模型，進(jìn)行優(yōu)化分析2.1設(shè)計變量圖3 吊臂截面各變量 圖3為矩形臂架截面參數(shù)，截面內(nèi)部高度為H，內(nèi)寬為L，側(cè)面板厚為T，上面板厚度為m，下底板為，本文選取此5尺寸為設(shè)計變量，要求在吊車小臂在滿足強度和剛度的情況下使得吊臂具有更小的質(zhì)量，以減少生產(chǎn)成本，節(jié)約材料。優(yōu)化設(shè)計變量如下。X =f（H，L，T，m，n）圖5 參數(shù)設(shè)置過程H、L、T、m、 n五個變量作為函數(shù)的輸入?yún)?shù)，在workbench中將設(shè)計變量作為輸入?yún)?shù)，將質(zhì)量，總變形量，最大應(yīng)力作為輸出，設(shè)置過程如圖，設(shè)計變量值域如表1。表1 設(shè)計變量值域輸入?yún)?shù)（mm） HLtmn初始值804704162630最大值820720183232最小值720620122027材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，泊松比為0.3，彈性模量為2.1x1011Pa，密度為7.85g/cm3，許用強度250Mpa，對于應(yīng)力較大的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格劃分采用Hex dominant Method方法以提高分析準(zhǔn)確度3,單元設(shè)置為50mm,得到單元數(shù)目5024、節(jié)點數(shù)目24695,施加約束，施加載荷。優(yōu)化過程設(shè)置的約束載荷等外在條件要與第一次分析是的條件保持一致才有可比性，比如承重仍選取40t等。2.2靈敏度分析靈敏度是指系統(tǒng)輸入的參數(shù)對于輸出結(jié)果的影響程度4，可以忽略靈敏度相對微小的參數(shù)，以減少參數(shù)個數(shù)，達(dá)到減少計算量的目的。對參數(shù)直接求導(dǎo)是快速而簡單的靈敏度分析方5。根據(jù)表1的值域設(shè)置workbench會自動生成27個設(shè)計點進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果5個設(shè)變計量與3個輸出變量靈敏度關(guān)系如圖6所示。圖6 輸入與輸出靈敏度關(guān)系圖以二維圖形式顯示各個輸入變量對單個輸出-總變形量之間的關(guān)系圖7 吊臂側(cè)面板高度H跟最大變形量關(guān)系圖8 吊臂下底板寬度L跟最大變形量關(guān)系圖9 側(cè)面厚度T跟最大變形量關(guān)系圖10 吊臂上面板厚度m跟最大變形量關(guān)系圖11 吊臂下面板厚度n跟最大變形量關(guān)系由以上五個二維圖可以得出側(cè)面板高度增大，總變形減小。側(cè)面板厚度增大，總變形減小。上面板厚度增大總變形減小，下面板厚度增大總變形減小。下面板寬度增大總變形減小。且各設(shè)計變量與變形量之間關(guān)系曲線斜率較大，因而他們之間存在較大聯(lián)系，由此判斷本文選取的所有五個變量是合適的，6研究它們之間的關(guān)系有意義。3優(yōu)化設(shè)計矩形截面臂架優(yōu)化取質(zhì)量、變形、最大應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)，本研究目的是保證臂架強度和剛度滿足要求的條件下，使臂架的質(zhì)量最小多目標(biāo)優(yōu)化是向量函數(shù)的優(yōu)化，各個分目標(biāo)函數(shù)，一般是相互矛盾的7，對此，一種求解的方法是構(gòu)造綜合目標(biāo)函數(shù)F(X)=KA(X)+HB(X)+GC(X)）其中A(X)、B(X)、C(X)分別為3個分目標(biāo)函數(shù)；K、H、G分別為3個目標(biāo)函數(shù)的影響因子8。在本例中，吊臂調(diào)運過程緩慢故相當(dāng)于受到靜載荷，在保證最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力178Mpa,，最大變形量滿足要求前提下吊臂最輕。因而節(jié)約材料是重要目標(biāo)，于是賦予重量更高的影響因子，使得臂架質(zhì)量優(yōu)先級最高9。優(yōu)化目標(biāo)與權(quán)重設(shè)置見表2。表2 權(quán)重設(shè)置目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重最大等效應(yīng)力178Mpa默認(rèn)總變形量最小化默認(rèn)質(zhì)量最小化更高經(jīng)計算得到A、B、C、3組推薦優(yōu)化設(shè)計點如表3所示。表3 優(yōu)化推薦設(shè)計點輸入?yún)?shù)(mm)輸出參數(shù)LHTmn質(zhì)量(t)應(yīng)力(Mpa)變形（mm）優(yōu)化前7048041626303.0687116.78.5502A670770152019.52.6051155.3110.196B684.17755.8314.1524.330.2082.7183135.9310.496C689.32735.8713.9424.125.132.6541143.6611.2384 對比三個推薦設(shè)計點，A、B、C三個設(shè)計點的求解結(jié)果中應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力178Mpa，C設(shè)計點變形量最大接近吊臂許可變形量上限考慮安全因素剔除C設(shè)計點，A、B均滿足變形要求，但在滿足所有設(shè)計要求的同時質(zhì)量是最小的，所以可以判斷在所有的設(shè)計點中A為最佳設(shè)計點。A點相對于優(yōu)化前吊臂的質(zhì)量減少了463.6kg,減少的質(zhì)量約占總質(zhì)量的15.1%，節(jié)省了原料.4結(jié)語 采用workbench有限元計算及目標(biāo)優(yōu)化模塊功能，對影響臂架最大應(yīng)力的因素進(jìn)行了比較分析以吊臂架矩形截面的五個尺寸為workbench輸入?yún)?shù)，以臂架最大應(yīng)力、質(zhì)量、最大變形量為輸出參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化仿真，優(yōu)化前后結(jié)果進(jìn)行對比，優(yōu)化后使臂架的質(zhì)量減輕了463.6kg與優(yōu)化前相比，該優(yōu)化方法提高了材料性能利用率，降低了吊臂的制造成本，增強了企業(yè)生存力，提高了整機(jī)市場競爭力，為臂架輕量化研究提供參考依據(jù)參考文獻(xiàn)1胡仕成，田明華，黃紅波. 基于Workbench的正面吊臂架多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計J. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, (02): 57-61.2程彬彬，黃美發(fā)，吳常林，等. 基于ANSYS Workbench的龍門銑床橫梁多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計J. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2015, (02): 10-12+16.3祁麗，張軍，黃冠星. 基于Fluent和Workbench的蒸汽噴射器流場分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化J. 流體機(jī)械, 2014, (05): 35-38.4袁素粉，袁曉紅，陳昌生. 基于ANSYS Workbench的半掛車車軸的強度分析及其優(yōu)化設(shè)計J. 北京汽車, 2011, (04): 42-46.5張國鋒，王衛(wèi)榮. 基于ANSYS Workbench的吊座尺寸多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計J. 機(jī)械工程與自動化, 2014, (01): 69-70+73.6岳華.