一种新型起重机吊臂的轻量化设计与研究
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机械设计与制造 42 文章编号:1001—3997(2012)06—0042—02 Machinery Design&Manufacture 第6期 2012年6月 一种新型起重机吊臂的轻量化设计与研究水 申士林张仲鹏陈荣顾彬 (西南交通大学机械工程学院,成都610031) Lightweight Design and Research for a New Type Crane Arm SHEN Shi-lin,ZHANG Zhong-peng,CHEN Rong,GU Bin (School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China) 【摘 要】首先提出一种新型类椭圆吊臂,以有限元分析软件ANSYS Workbench协同仿真平台为 工具,利用其DM(几何建模)、Mechanical(结构有限元分析)及DX(优化设计)三大模块之间无缝接口, 完成了吊臂的参数化建模、结构分析和轻量化设计。针对优化过程中设计变量非线性程度高的特点,利 用DX模块,将基于神经网络的响应面法与MOGA(多目标遗传算法)相结合,对吊臂结构进行了优化, 有效地降低了吊臂的重量。结果表明该方法合理可行,为今后包括大型起重机在内的相关工程机械设 计提供了参考方法。 关键词:ANSYS Workbench;新型吊臂;轻量化;响应面;参数化;遗传算法 【Abstract】A聊 type ofsimilar-oval cro.Ii,e arm is presented in this paper.Based on the powerfulfi— nite element analysis sotfware-ANSYS Workbench co-simulation pltaform,it has completed the parametric modeling,inifte element analysis ofthe structure and the lightweight design ofthe arm by using the seoln- less interface of DM(Geometry Modeler),Mechanical(Structure Analysis)and DX(Optimization Design) module.Characterized by 0 high degree f ononlinearity.the structure f othe croll,e arm is optimized via con— bining the response surface method based on the neurl anetwork with the MOGA(Multi—Objective Genetic Algorithm)belong to the DX module,the weight ftohe crane arm has a sinigftcant reductionfinally.This re- suh which si reasonably prctaicable provides a reference methodfor engineering echanimsm desin ignclud- inglrge-scaale crnea arm in thefuture. Key words:ANSYS Workbench;New Type Crane Arm;Lightweight;Response Surface;Para- metric;Genetic Algorithm 中图分类号:TH16文献标识码:A 1引言 当前,随着起重机趋向大吨位和高性能发展,吊臂在整机重 能,减轻吊臂结构自重。 量中所占比例也随之增加。因此,在满足各项技术指标的前提下, 寻找一种能有效降低吊臂重量的设计方法迫在眉睫。提出了一种 新型160t起重机吊臂,利用ANSYS Workbench协同仿真平台的 DM、Mechanical以及DX三大模块的无缝接口,完成整个轻量化 设计流程。 三节臂截面参数 二节臂截面参数 基本臂截面参数 2吊臂截面形式的确定 吊臂由上下翼缘板和腹板焊接而成,是非对称的类椭圆截, 如图l所示。此截面与传统的箱型及多边形截面相比,特点是: 图1各节臂设计变量 3吊臂有限元分析 3.1参数化实体模型的建立 在DM模块中建立吊臂模型,建模过程中将每节臂的各个 (1)前后滑块分别支承在圆角处,能传递大部分侧向力,无需另加 侧向支承,且能较好的传递扭矩与横向力。(2)当承受滑块局部应 三节臂的腹板高度及其腹板间距设置成变量,即图l中的 力时候,由于曲边截面良好的力学性能,使得上下翼缘板板厚更 板厚、PI Pl。共1 1个设计变量,模型及设计变量与Mechanical模块实 小【11。(3)下翼缘板和腹板的实际计算宽度较小,曲板相对于平板 刚度系数大,抗屈曲性能强,有利于提高抗失稳能力。(4)大圆角 现无缝连接。2载荷计算及约束处理 可以有效减少平板的宽度,并且对平板形成很强的嵌固大大提高 3.在Mechanical模块中进行吊臂有限元分析,滑块材料采用 其局部临界力。综上所述,该种截面可以较好发挥材料的机械性 ★来稿日期:2011—08—12★基金项目:高校基本科研业务费专项资金资助(2010ZT03) 第6期 申士林等:一种新型起重机吊臂的轻量化设计与研究 43 铸青铜,吊臂采用高强钢,并按B.类载荷计算日。其中,仰角O/= 从而使吊臂应力发生较大变化。图5说明了基本臂下翼缘板板厚 三节臂上、下翼缘板厚Pl、尸2对吊臂 32o,起升载荷Q=1212.750 kN,钢丝绳拉力S=212.763kN,侧向载 P8对吊臂最大应力影响很大;另外,腹板间距Jpl。对吊臂重量影响也较大。 荷T=100.656kN,重力加速度g=9.8m/s 2【3]。变幅平面吊臂受力简 重量影响很大;图,如图2所示。基本臂尾部与转台铰接处,约束3个方向平移自 由度(UX、UY、uz)和两个方向的转动自由度(ROTY、ROTZ)。释 放绕销轴中心回转的转动自由度(ROTX)。吊臂与变幅油缸铰点 处作同样处理。 图2变幅平面吊臂受力简图 3.3求解结果及输出参数设置 利用MPC算法及增广的拉格朗Et算法来模拟滑块与吊臂 实际的接触行为 。划分网格采用局部网格细化方法。将各节臂的 最大应力及吊臂重量设置为输出参数Pl 一Pl ,求解结果如图3所 示。最大应力为399.56MPa,出现在三节臂上,靠近二节臂唇口滑 块处。吊臂强度还有很大富余,需要进行优化。 图3吊臂的应力云图 4轻量化设计 利用DX模块中的GDO(Goal Driven Optimization)目标驱动 优化模块完成对吊臂重量的优化设计。 4.1吊臂优化的数学模型 优化过程中,除了对每节臂的最大应力进行约束以外,还需 对滑块的最大应力及吊臂整体刚度进行约束[51,吊臂优化的数学 模型如下: 设计变量: 『p1,P:,…,P 。] 目标函数:min Pl5--f(p。,P ,…,P。.) 约束条件:pi—o-] 0(i_12,13,14) 滑块一I 块J-<-0 ,_[厂]s0 4.2基于神经网络的响应面设计 为了选取典型样本,并且减 十算时间,采用DOE(实验设计) 法鞠,筛选出52个初始样本。确定合适的吊臂有限元分析样本后,在 DX模块中选取基于神经网络的响应面法训练样本。部分响应面计 算结果及灵敏度,如图4、图5所示。从图4中可以清楚地看出,腹 板高度Pl。及腹板间距Pl。对各节吊臂的应力影响很大,这是由于 吊臂高度和横向尺寸的增加会很大程度上影响到吊臂截面贤陛矩, 330 320 310 目300 呈_290 吾280 650 图4响应面 一 三 言0・1 H 麓三 日一 _ H…一切r …_一 日 §一 ¨ ~ Ⅱ~ _ U一 一0.2 ㈠ 岍L』 … 川 ‘: 一0.5 P, ̄ljb 岫 hM : m bM…啪 。一时 图5灵敏度直方图 4.3优化算法的选取及优化结果 DX板块中提供以下优化算法:Screening(筛选法),MOGA (多目标遗传算法),NLPQL( ̄线性序列二次规划)。遗传算法是 概率意义下的全局并行随机优化搜索算法,对设计变量为离散变 量的优化问题方便快捷f71。采用MOGA优化算法,初始种子数: 1000,最大迭代次数为20。提取优化结果并对优化后的变量值进 行圆整,优化前后结果,如表1、表2所示。 表1优化前后各设计变量值(单位:mm) 菱釜 Pl P2 P3 P4 马 P8 Pq Pl。 Pl- 优化后 141.2 9077 141.3 134.9 8..7597 16-83l 8.467 560.56 803.27 77圆整后12 14 10 14 14 8 14 16 8 560 800 表2优化前后结果对比 输出 基本臂最大二节臂最大应 三节臂最大应许用应吊臂自重 参数应力Pl /MPa力PI3/1ⅥPa 力Pl4/MPa 力/MPa /kg 5结论 (1)提出的160t新型类椭圆截面吊臂可以较好发挥材料的 机械性能,抗屈曲性能强,有利于提高抗失稳能力,并减轻吊臂结 构自重。(2课用直接在ANSYS Workbench DM模块中建立参数 化模型的方法,可以大大减少设计时间,提高了设计效率。同时, 利用该软件三大模块间的无缝接口,方便陕捷地完成了从方案设 计、结构有限元分析到优化的整个“无缝”设计流程。(3)对吊臂整 机械设计与制造 Machinery Design文章编号:1001—3997(2012)06—0044—03 &Manufacture 第6期 2012年6月 基于曲面变形技术的数据融合方法研究 寇满杨雪荣 梁汉卫成思源 张湘伟 (广东工业大学机电工程学院,广州510006) Research on Data Fusion Based on Surface Deformation Technology KOU Man,YANG Xue—rong,LIANG Han—wei,CHENG Si-yuan,ZHANG Xiang-wei (Faculty of Electromechanics Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 5 10006,China) 【摘要】逆向工程中单一的数据测量方法要么存在测量效率低,要么存在测量精度差等缺陷,其数 据测量方法越来越难以满足高效率和高精度的逆向建模要求,因此对多种测量数据进行融合的逆向工程 CAD方法已受到研究者的重视。论述了基于能量优化法的曲面变形原理,利用ThinkDesign软件的曲面变 形功能特点,结合逆向工程中的接触式和非接触式测量设备的测量数据,提出了基于曲面变形技术的测量 数据融合方法,并给出了实例。最后通过Geomagic Qualify软件验证表明此数据融合方法是有效的。 关键词:ThinkDesign;CAD模型;数据融合;曲面变形 【Abstract】A single data measurement method in reverse engineering is either low in eicifency or poor in accuracy and SO on,which is becoming more dificulft to satisfy the need of 恸eficifency and high ccuraacy in reverse modeling,therefore the CAD modeling via reverse engineering meshing a variety of eamsurement data have been got researchers’attention.Then the principle of surface deformation based on energy mm’t‘mt‘zatt‘on method is discoursed.By taking advantage of the function of surface deformation in ThinkDesign,combined with the contact and non—contact measurement data measured by measurement de— vice in reverse engineering,a datafusion method based On surface deformation technology is proposed,and a case study is iven.gFinally,this datafusion method si validated by Geomagic Qualify. Key words:ThinkDesign;CAD Model;Data Fusion;Surface Deformation 中图分类号:TH16,TP391文献标识码:A l前言 逆向工程中,单一的数据测量方法可能存在精度较差、测量 视觉获取数据的灵潘I生弥补三维激光测量技术的易漏采缺陷,通 过二者的数据融合获得较完整的模型数据131。利用逆向工程中接 触式测量精度明显高于非接触式(扫描)测量精度的这一特点,提 出了一种基于曲面变形技术的接触式测量和非接触式测量数据 数据不全、效率低等缺点,对多种测量数据进行融合的方法已受 到研究者的重视。经过融合多个测量数据信息可更完善、更精确 地反映物体特征I“。在测量数据融合研究中,唐克伦以视觉测量的 空间截面曲线为初始曲线,以三坐标测量机测定的经半径补偿后 融合的方法,即把零件扫描后的点云经逆向建模作为初始变形曲 面,在零件的复杂曲面上用接触式测量方法测量一系列特征点作 导人ThinkDesign软件中通过曲面变形的方式对初 的位置点为曲线变形给定的型值点,通过曲线变形使新构建的曲 为变形条件,线通过型值点,实现数据的融合,提高了主动视觉提取轮廓的精 始模型进行调整,以此提高逆向建模的精度。在逆向建模时,由扫 经逆向建模软件处理,一般都可以 度121。高莹忠将三维激光测量技术和立体视觉技术相结合,用立体 描仪获取的零件的点云数据,-A-来稿El期:2011—08—17★基金项目:国家自然科学基金(50805025、51105078),广东省教育部产学研结合项目(2009B090300044), 广东省大学生创新实验项目(1184510014),广州市科技计划项目(2009Z2一D501), 东莞市高等院校科研机构科技计划项目(201010810205) 西安:西南交通大学,2010(12):10-15. [3]王金诺,于兰峰.起重运输机金属结构[M].北京:中国铁道出版社, 3302—305. 体进行优化以后,考虑到加工条件,需要对优化值进行圆整,从表 2]GB381 1-2008.起重机设计规范Is3. 2中可以看出,对板厚圆整后,吊臂的强度满足要求,优化后的吊 [臂重量减少了21.09%,吊臂自重明显降低。通过对圆整后的优化 结果进行分析计算,吊臂的刚度也满足要求,此处不再赘述。(4) [4]李志敏,张仲鹏.伸缩臂滑块局部应力计算及支撑位置优化[J].起重运 结果表明,将基于神经网络的响应面法和多目标遗传算法优化有 效地结合起来,在致力于解决一些非线性程度较高的问题上,优 势明显。该方法对于包括大型起重机在内的相关工程机械设计, 具有推广意义。 输机械,2010(2). [5]黄文培,于兰峰,黄洪钟.铁路救援起重机箱形伸缩臂的优化设计[J]. 起重运输机械,2000(1). [6]李光磊.DOE技术在电控标定试验中的应用[c].论文集.2007(275). [7]XU Yuan—ruing,LIShuo,RONG Xiao-min.Composite Structurla Optimiz— ation by Genetic Algorithm and Neural Network Response Surface 参考文献 [1]曾宪渊 2888t・112铁路起重机吊臂金属结构研究[c].硕士学位论文集. Modeling[J].CHINAJOURNALOFAERONAUTICS,2005(11).