基于虚拟样机技术的装载机工作装置优化设计(2)

2 2优化算法的选择 .

A AM/ iw提供了两种算法求解有约束优化问题。O T E - D SVe P D S GR G为使用 O T E P D S的广义递减梯度算法，这种方法是目前求解一般非线性优化问题的最有效的算法之一。O F E— Q V D S S P为使用 OT E P D S的二次规划算法，这种方法被认为是目前最先进的非线性规划计算方法。本文采用的是 O T E— Q P D S S P算法，该算法是利用拟牛顿法(变尺度法)来近似构造海赛 ( es n矩阵， H sa ) i以建立二次规划子问题，又称为约束变尺度法。二次规划法是通过拉格朗 1因此 3函数将原问题转化为二次规划子问题，过求解二次规划子问题得到通迭代的搜索方向，搜索方向进行~维搜索，到迭代的步长，过沿找通

标函数是举升油缸的举升力。利用 A A D MS的测量功能，建立运行过

程函数 F N TO— E一，出油缸举升力变化曲线， U C IN M A 1测如图 5所示。

迭代最终得到问题的最优解。优化问题的数学模型为mnF( i ) XE R () 1 () 2

图 5举升油缸的举升力曲线F g 5 Cu v fL t g F re f rOiCyid r i . re o ii o c l l e fn o n

St毋 ( )≤ 0 J: l2,, .. ,… M

2 5确定设计变量 .

^ (

)≤ 0 k= 12,, ,… L≤ X≤ i= 12…, ,,Ⅳ

() 3() 4

根据优化目，标利用 A A S D M参数化功能将 G F E D,,,,,, c B A等7个关键点的横坐标、纵坐标值依次参数化，生成 1 4个设计变量【j 5。2 6确定设计变量约束条件 .

对应的拉格朗日函数为L, A ): F( ( A,2 J x)+A1,X)+A h ( g( 2 ) () 5

设计变量的任何一组值，都是一个“计方案”所谓“设，最优设计”实际是满足某些设定限制条件的设计方案中最好的设计方案。 这些限制总称为“设计约束”。根据装载机的工作条件， A A 在 D MS环境下，以下 5个方面对优化模型进行约束【。从 26 1变量取值范围约束 . .

在点展开的二阶泰勒近似式为

L x,,‘ (‘A A ):L x,, ( A A )+[ ( A,]+ VL x, A ) s

÷ ([]S) S)曰 ( ‘

() 6

式中，为优化问题的搜索方向；日]拟牛顿法中的变尺度矩阵， J s[为 [: V L X,, B] (^ A )拉格朗日函数的一阶导数为VL x,, )= VF x )+ ( g ( ) A+( ix ) ( A A ( 。 ) Vh( )A() 8

根据装载机尺寸和工作机构布置要求，计中要给出各设计变设量的允许变化范围。各变量取值范围如图 6所示。

() 7

不等式约束 g (≤0函数毋( ) 0在点展开的二阶泰勒 i ), x=近似式为 g( k= g( )+(毋( ) s=o i x“), ) () 9

等式约束 h ( )=0在点展开的二阶泰勒近似式为h ( )=h ( X X )+ ( X ) S Vh ( )= 0 (0 1)

将式( )式( ) 8、 9和式(0) 1代人 (式， 6)得二次规划子问题为 mi Q S n ( )=F X )十( ( VF( )S 1s[ S X ) B】

图 6变量取值范围约束Fg. n e o r be i 6 Ra g f i l Va a

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基于虚拟样机技术的装载机工作装置优化设计

何孔德等：于虚拟样机技术的装载机工作装置优化设计 基26 2传动角约束 ..表 2设计变量优化结果及目标

函数变化表Ta 2 Opi z t n R s l o e in Vai be an are u c in b. t mi i e ut fD sg r l d T g tF n t ao a o

为了提高传动效率，止机构锁死，求在整个运动过程中，防要各个传动角在 1。 7。间变化。在 AD 0~10之 AMS中，过角度测量建立通

传动角的约束条件。2 6 3自动放平约束 . .

动臂在上限位置卸料后，斗缸闭锁，转动臂下降到下限位置时，铲斗自动放平进入下一次铲掘状态。通过创建优化约束条件来保证自动放平性能。

2 6 4最大卸载高度和最小卸载距离约束 . .

Z

最大卸载高度和最小卸载距离可以分别通过建立测量约束来保证最大卸料高度不小于 26 0mm,小卸料距离大于 9 0mm。 0 最 0 2 6 5卸载角约束 ..鼎

卸载角约束通过建立测量约束条件来保证卸载角不小于 4。 5。

3优化设计3 1设计研究 .图 7举升力优化迭代曲线Fg 7 I r U e Cu e o iig F re i. e a v w f fn o c t Lt

在优化分析前，对每个设计变量进行设计研究，算出其对目先计

表 3各个约束条件的具体取值T b 3 V le o a h Re tc in Co dt n a . a u fE c sd t n i o i o

标函数的敏感度系数，于是可以知道哪些变量对目标函数的影响较大，些影响较小[。从而选择影响较大的相关参数作为目标函数 哪 的设计变量进行优化设计。通过各变量的设计研究分析，出各设 得计变量对目标函数的敏感度系数，表 1所示。如表 1敏感度系数T b 1 C e iin fS n ivt a . o fce t e s i y o ti

4结论利用 O T E— Q P D S S P二次规划算法，通过大型机械系统动力学软件AA D MS对装载机工作装置进行优化设计，到优化目的。此优化达方法操作简单，化速度快，型形象直观，果提取方便，化效果优模结优好。可以在较大的范围内综合考虑机构与工艺等方面的要求，而从获得综合优化的设计方案，够适应企业对产品进行局部

更新或全能新设计的需要。

参考文献：[]刘希平. 1工程机械构造图册[ . M]北京：机械工业出版社，94 18 . []孙恒， 2陈作模 .机械原理[ . M]北京：高等教育出版社， 0 . 2 0 0

由表 1可知，计变量 D AY, V— X, V G即 A点的横坐设 V— D A D—Y标、坐标和 G点的纵坐标对目标函数影响较大，们各自的设计敏纵他

[]孙靖民. 3机械优化设计[ . M]北京：机械工业出版社，0 3 20 . []王东爱， 4刘美华，乔志霞 .拟样机技术及其在包装机械设计中的应用虚[]组合机床与自动化加工技术， 0 ( 1:3 3 . J. 2 6 1)3— 5 0 []顾铭，明， 5洪宋呜.虚拟样机技术及其在 A A S中的应用[]成都电子 DM J.机械高等专科学校学报， 0 ( ) 1- . 2 54: 4 0

感度系数分别为 3 4 6, 0 . 5 .9 20 4 3和一19 8,们与其他的设计变 0.9他

量敏感度系数相差较大，故以 D A D A DV G V— Y, V— X,— Y作为优化设计的设计变量。 3 2优化设计 . .

[]李军， 6邢俊文 . D M实例教程[ . AA S M]北京：北京理工大学出版社， 0 . 2 2 0 []肖春其， 7廖吉华，经卓人.高装载机液压系统压力的可行性分析[]提 J.工程机械，0 ( ):6—1 . 201 1 1 8

经过 5次 O T E— Q P D S S P优化跌代计算，优化报告可以看出，从在第 4次跌代计算时，标函数取得最优值，设计变量值如表 2所目各示。目标函数的变化曲线如图 7所示。由图 7知，化后的最大举升力由 2 44 8N降为 1 28 9N,优 0 2 8 8减

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