（材料加工工程专业论文）装载机工作装置优化设计及运动仿真研究.pdf

i i j 东大学硕士学位论文 装载机工作装置优化设计及运动仿真研究 摘要 ( 装载机是一种用途较广的施工机械，广泛应用于建筑、交通、水电、矿山 及防i 。程。f 一，列肌l _ 队i 一利建设、减轻劳动强度、提f 舒二：槲质最、降低j i ：祀! 成 本等都发挥着重要的作川。 r 作装胃是实现铲捌、装卸物料的连卡机构，足装载机的关键部件之一， 其设计水平的高低直接影响到工作装胃性能的好坏，进而影i 】向整机的性能如工 作效率、作业质量和经济性指标等。机构优化设计以最优化方法和计算机程序 设计为捶础，是解决复杂设计i d 题的7 r 效_ l 之一。存产，弘的设计阶段，刈装 找机一l + 作装霄进 j 二运动仿真，rr j 以检验1 作装e j ：作业过_ f ! i ! f i j 介删性lj i i 确。r i ：、 1 - _ f f - 装t j l 各构件之问足古发，上碰撞与i + 涉；通过仿真图还可以直观地分析、优 选整体设计方案， 优化设计及运动仿 基于以上分析 的结构和性能更趋完善。因此，进行六连秆机构的 设计装载机工作装置具有重要作用。 载机工作装置优化设计及运动仿真研究现状进行全 面回顾与综合的基础上，以装载机工作装置反转六连杆机构为例，建立了装载 机 ：作装置运动过程的通用数学表达式，对工作装置优化设计的合理方法进行 了探索。采用复合形法和黄金分割法对六连杆机构进行了优化设计，并对装载 机：】i 作装置的运动性能参数进行了计算。利用v i s u a lc + + 6 0 丌发了连杆机构 的优化i 5 乏计及运动仿真软件。 刈优化设计的具体应用技术，如数学模型的建立、目标函数的选择、约束 条件的建立、优化方法的选择等进行了阐述。对优化设训v j 主要方法进行了比 较，确定了装载机工作装置六连杆机构的优化设计方法。附装载机六连卡t 机构 进行了运动分析，建立了装载机举升过程中动臂位置角与铲斗位置角之间、任 意位胃卸料时转斗油缸行程与动臂位置角之间的数学表达式，建立了任意位置 时各铰接点的坐标表达式，为装载机工作装置的优化设计、工作装置的运动仿 l i j 东大学硕士学位论文 真提供丁数学基础。 用黄金分割法对装载机六连杆机构进行了性能参数的计算；以六连杆机构 的平移性为日标函数，综合利用复合形法和黄金分割法对六连柙：机构进行了优 化设计t ，优化后机构的各项性能比原机构的。刚：能得剑了挺：1 i 。i 利川v i s u a lc + + 6 0 丌发了装载4 - ；l i 连十机构优化改及运动仿典软什。利 j j 所儿发的软件，刈工作装酣的运动特性进行动态仿真，不仅可以检验设计方 案的合删! 性，而且可以检验工作装置各构件在运动过程中是否发生干涉、机构 参数设计是否合理，为六连杆机构的设计提供了一个有力的工具。对深入研究 装载机工作装置六连杆机构的优化设计和整机性能参数的优化设计将产生深刻 的指导意义。 关键阔：装载机，六连杆机构，优化设计，运动仿真 i i 山东大学硕士学位论文 s t u d yo no p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o n s i m u l a t i o no fo p e r a t i n gm e c h a n i s mo fl o a d e r a b s t r a c t l o a d e ri sak i n do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha s a r c h i t e c t u r e ，t r a f f i c ，w a t e ra n de l e c t r i c i t y , m i n e ，n a t i o n a ld e f e n s ea n ds oo n i tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei n a c c e l e r a t i n gt h es p e e do fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，l i g h t e n i n g t h el a b o ri n t e n s i t y , i m p r o v i n gt h ee n g i n e e r i n gq u a l i t ya n dr e d u c i n gt h ee n g i n e e r i n g c o s t s t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m ，as i x b a rl i n k a g et h a tc a na c c o m p l i s ht os h o v e la n d l o a da n du n l o a dm a t e r i a l s ，i st h ek e yp a r to fl o a d e r t h ed e s i g nl e v e lc a nd i r e c t l y a f f e c tt h ef u n c t i o n so ft h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e l o a d e rs u c ha st h e e f f i c i e n c y ，w o r k i n gq u a l i t y a n dt h ee c o n o m i ct a r g e tc a nb e i n f l u e n c e di n d i r e c t l y b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m d e s i g n ，m e c h a n i s mo p t i m i z a t i o nd e s i g ni s a ne f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h ec o m p l e x d e s i g np r o b l e m ，d u r i n gt h ep e r i o do fp r o d u c td e s i g n ，t h em o t i o ns i m u l a t i o no ft h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m c a ne x a m i n et h ew o r k i n g r a t i o n a l i t y ，v a l i d i t y , a n dt h ec o l l i s i o n a n di n t e r f e r e n c ea m o n gt h ec o m p o n e n t so ft h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m f u r t h e r m o r e ， t h eo p t i m a ls e l e c t i o no ft h ew h o l ed e s i g nc a nb ec a r r i e do u tt h r o u g ha n a l y z i n gt h e m o t i o ns i m u l a t i o nf i g u r e s t h e n ，t h ec o n s t r u c t i o na n df u n c t i o no ft h ep r o d u c tc a nb e m o r ep e r f e c t t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o ns i m u l a t i o no fl o a d e r l i n k a g eh a v eb e c o m e t h ei m p o r t a n tc o n t e n t so fl o a d e rd e s i g n b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o ns i m u l a t i o no f s i x b a rl i n k a g eo fl o a d e ro p e r a t i n gm e c h a n i s ma r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h el o a d e r o p t i m i z a t i o nd e s i g n a n dm o t i o ns i m u l a t i o ni s r e v i e w e d a l s o t a k i n g s i x b a r l i n k a g e a sa n e x a m p l e ，t h eg e n e r a l m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n so f t h ew h o l em o t i o np r o c e s sa r ee s t a b l i s h e da n dt h er e a s o n a b l em e t h o d s o f o p t i m i z a t i o na b o u tl i n k a g ea r ee x p l o r e da n d s e l e c t e d t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d t h ec o m p u t a t i o no ft h em o t i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h el i n k a g ea r ec a r r i e do u t 山东大学硕士学位论文 t h el i n k a g eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n g v i s u a l c l + 60 t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fo p t i m i z a t i o ns u c ha st h ee s t a b l i s h m e n t o fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es e l e c t i o no fo b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h e c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s ，t h e s e l e c t i o no ft h e o p t i m i z a t i o n m e t h o da n ds oo na r e p r e s e n t e d i nt h i s p a p e rt h r o u g hc o m p a r i n gt h e m a i no p t i m i z a t i o nm e t h o d s ，t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o d so fs i x b a rl i n k a g ea r ed e t e r m i n e d t h em o t i o no fl i n k a g ei s a n a l y z e d t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n sa b o u tt h es i t u a t i o na n g l eo ft h el i f ta l t na n d t h es i t u a t i o n a n g l eo ft h e b u c k e td u r i n g l i f t i n ga r ee s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n sa b o u t t h es t r o k eo ft h et i l tc y l i n d e ra n dt h es i t u a t i o na n g l eo ft h el i f ta r m d u r i n gd u m p i n g a r ee s t a b l i s h e d ，t 0 0 s u b s e q u e n t l y ，t h ec o o r d i n a t ee x p r e s s i o n so fa l l r e v o l u t e p i nj o i n t s a r ee s t a b l i s h e d a l lt h ee x p r e s s i o n sc a np r o v i d em a t h e m a t i c a l f o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o na n dm o t i o ns i m u l a t i o no f l i n k a g e t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ec o m p u t e du s i n gt h e g o l d e ns e c t i o nm e t h o d u s i n gt h ec o m p l e xo p t i m u mm e t h o da n dt h eg o l d e ns e c t i o nm e t h o da so p t i m i z a t i o n m e t h o d s ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sd o n ea f t e rt a k i n gt h el i n k a g et r a n s l a t i o n a lm o t i o n a s o b j e c t i v e f u n c t i o na n d e s t a b l i s h i n g c o n s t r a i n t c o n d i t i o n s e v e r yp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r i si m p r o v e da f t e ro p t i m i z a t i o n t h es o f t w a r eo f o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o t i o ns i m u l a t i o ni sd e v e l o p e du s i n g v i s u a lc + + d0 t h em o t i o ns i m u l a t i o no f o p e r a t i n gm e c h a n i s m w h i c hp r o v i d e sa p o w e r f u l t o o lf o rd e s i g n i n gs i x b a r l i n k a g e ，c a ne x a m i n en o to n l yr a t i o n a l i t yo f d e s i g np r o j e c tb u ta l s ot h ei n t e r f e r e n c ea m o n ge v e r yb a rd u r i n gt h em o v e m e n ta n d t h er e a s o n a b i l i t yo fl i n k a g ep a r a m e t e r sd e s i g n a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r eh a s p r o f o u n di n f l u e n c e so nt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no fl i n k a g ea n dt h e w h o l ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s k e y w o r d s ：l o a d e r ，s i x b a rl i n k a g e ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，m o t i o ns i m u l a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 装载机是种用途较广的施工机械，广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、 港口、矿山及国防工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质 量、降低工程成本都发挥着重要的作用。因此，无论在国内还是在国外，近年 来装载机的品种和产量都得到了迅猛发展，已成为工程机械的主导产品之一。 二十世纪七十年代中期以来，国外一些大型装载机制造公司已将机械优化设计、 有限元分析及c a d 方法等现代设计理论与方法应用于装载机工作装置的实际 产品设计中，取得了较好的经济效益。 机械优化设计是在二十世纪六十年代迅速发展起来的一种设计方法，它建 立在近代数学最优化方法和计算机程序设计的基础上，成为解决复杂设计问题 的一种有效工具和计算机辅助设计应用中的一个重要方面。 目前，优化设计方法在结构设计、化工系统设计、电气传动设计、制造工 艺设计等专业中都有广泛的应用，而且取得了不少成绩。在机械设计中，对于 机械、零件、部件、工艺装备的基本参数以及一个分系统等的设计，都可以运 用优化设计方法为产品设计提供一个最优的方案，并产生较好的经济效果，这 已经被生产实践所证明。因此，优化设计已成为现代机械设计理论和方法中的 一个重要方面，并且愈来愈受到从事机械设计的工程技术人员的重视睇1 。 机构优化设计又称机构参数优化设计，是机械优化设计中发展比较早的一 个领域。在各种机器和仪表的设计中，随着机器运动速度的提高，迫切需要解 决运动学、动力学性能好的连杆机构的设计问题。一般，采用常规的近似设计 方法( 运动几何法和解析法) ，无论在运动学的精确度方面，还是在动力学的设 计指标方面，都不能满足要求。因此，随着最优化技术和计算机技术的发展， 在二十世纪六十年代术期，就丌始了连杆机构优化设计的研究，并在实践中得 到了应用【3 | 。 山东大学硕士学位论文 1 2 装载机工作装置设计方法 装g 戋机f l j 装胃址液j m 【驱动的能够先j j j ：装z l j f l , l k 的- i 郅i j 多十m l 构。【f 1 装罱是组成装载机的关键部件之一，设计水平的高低直接影响工作装置性能的 好坏，进而影响整机的工作效率与经济性指标。目前，常用的装载机工作装置 由运动相互独立的两部分构成连杆机构和动臂举升机构，主要由铲斗、动 臂、拉杆、摇臂、转斗油缸、动臂油缸( 又称举升油缸) 等组成1 4 1 1 引。 我国装载机行业经历了二十世纪五十年代的仿制测绘、七十年代初向大型 化及小型化发展 n j t 十年代初着重提高产昂质量三个阶段，现在已经进入独立 研制和开发各种机型的阶段，形成了我国装载机行业开发研制、设计制造的完 整体系。目f j ，国内装载机工作装置的设计方法主要有三种，即类比作图试凑 法、解析法和优化设计法i 。 1 2 1 类比试凑法 装载机工作装置连杆机构最常用的设计方法是类比作图试凑法，即同类型 尺寸不同的连杆机构进行相似设计。在设计过程中，按原机构相似缩小和放大， 仅要求斗四连杆和斗油缸四连杆分别相似，整个装载机连杆机构不必完全相似， 由此求得新设计连杆机构的全部尺寸参数。在相似设计中应注意的问题主要有 以下几个方面【7 】【8 】： ( 1 ) 连杆机构的运动范围要相同 装载机连秆机构的运动范围可用动臂转角占和斗摆角范围来表示。新连 杆机构与原连杆机构在相同的运动范围( 或在原范围内) 表示为： 万。= 占( 或万 珊，则需校核原连杆机构是否允许扩大运动范围，检验新 扩展的运动范围内的运动规律是否符合要求，否则不能按原连杆机构进行相似 设计。 2 山东大学硕士学虚论文 ( 2 ) 初始情况要相同 相似设计的新连杆机构要与原连杆机构完全类似，除在其相同的运动范围 内，各构件的转角关系、速比关系及传动角相同外，还需初始条件相同。 ( 3 ) 相似设计的连卡t 尺i j 应符合结构布置要求。 类比试凑法在设计过程i = j ：l 存在较大的盲目性，需多次作图试凑，工作量人， 而且难于求得理想方案，设计工作效率很低，设计精度较差：以类比样机连杆 机构尺寸为基础进行设计，对样机的依赖性很大，难于创新；作图试凑法未建 立起各参数间的依从关系( 数学方程式) ，无法采用计算机进行最优化设计，为 了从根本上克服“类比试凑法”的缺点必须研究解析设计法1 0 】。 1 2 2 解析法 解析法包括矢量代数法、矩阵法和复数矢量法等，装载机工作装置的设计 基本上都采用矢量代数法或矩阵法。装载机铲斗运动是由动臂牵连运动和铲斗 相对于动臂转动的合成，传统解析法计算中常采用反转原理，将机构中的动臂 转为机架( 固定不动) ，机架转为动臂( 转动) ，推演繁杂，难以得出主从动件 的直接关系，求导困难，并且不便于理解掌握。复数矢量法与图解法相类似， 机构中各杆件的机能不变，即计算流程与z f l - 装胃的灾际运动完全一致，直观 易懂，计算编程简单，占用计算机内存少。 解析设计方法考虑的因素较全面，但连杆机构三个主要杆件长度之问关系 方程式的建立是基于绝对平移性条件的，易于出现转斗油缸行程过长以及下摇 臂引起的干涉现象。 1 2 3 优化设计法 优化设计方法是一种自动选优的现代设计方法。数学规划理论的创立、计 算机技术的普及，使得优化设计方法得以实现。进入二十世纪七十年代，在国 外已有一些优化设计方法应用于工程机械的零星报道1 1 5 1 1 1 6 。 优化设计方法很多，有求解无约束优化问题的一维搜索法、坐标轮换法、 p o w e l l 法、牛顿法和变尺度法等；有求解约束优化问题的随机方向搜索法、复 合形法、优选法、可行方向法以及约束变尺度法等直接解法和惩罚函数法等问 3 山东大学硕士学位论文 接解法。工程机械优化问题大多数是有约束非线性的复杂优化问题，最常用的 优化砹计方法足复合形法、优选法、惩罚函数法和约束变尺度法等i l 引f j 。 杨力夫等【2 0 l 在四杆机构运动分析的基础上，建立了八卡下机构优化设计的数 学模型，选用直接解法一复合形法进行求解，在”维空间中选取2 ”个顶点构成 复合形，而后对各顶点的目标函数值逐一进行比较，不断去掉最坏点，逐步调 向最优点。邓爱民、周湘华口i 】选用混合形式的惩罚函数法，对反转六连打机构 进行了优化设计，混合惩罚函数法是处理同时受不等式约束和等式约束的行之 一 何效的方法，该方法是一种将约束优化问题转化为一个等价的无约束优化问题 的间接寻优方法。马铸【22 j 采用相似设计理论与改进的复合形优化方法相结合的 方法，对z l 6 0 a 装载机工作装置( 连杆机构、举升机构) 进行了优化设计，解 决了可行初始点的寻求问题。 杨成康、张铁柱1 23 】应用优化理论建立了工作装胃正、反转连年t 机构铰点位 置优化设计的数学模型，实现了工作机构铰点位置方案的最优化，从根本上取 代了传统的“类比试凑法”，从而有效地提高了设计质量和效率。周玉忠、张家 励等1 2 4 1 1 2 5 1 应用优化理论建立了多功能装载机工作装置特殊八杆机构铰点位置优 化的数学模型，编制了优化程序和性能计算程序，并进行了计算分析，为多功 能装载机工作装置的设计提供了理论依据。张国胜、曾昭华等【2 6 】以产生单位掘 起力所需转斗缸推力最小为优化目标，建立了满足总体性能、运动学和动力学 等要求的装载机z 型反转连十下机构工作装置铰点位置优化模型，并调用约束变 尺度法研制和丌发了工作装置铰点位置优化设计和分析软件。 方子帆、施仲光2 7 1 1 2 8 1 以动力性参数为优化目标，运用惩罚函数法的外点法 对轮式装载机工作装置的转斗六连杆机构进行了优化设计。姚建中【2 9 j 等以装载 机工作装置六连杆机构的各杆长及机架两个铰点的坐标为设计变量，对现有的 装载机优化问题进行了分析，建立了优化计算模型。石沛林、唐子立等【30 】利用 反求工程技术建立了i t l8 b 装载机工作装置的近似模型，编写了f o r t r a n 语 言主程序，与o p b 算法库中的内点罚函数法子程序相联接，进行了优化计算， 为多用途装载机的设计提供了设计方案。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 4c a d 法 计算机辅助设计( c a d ) 技术是一门发展迅速的新技术，在设计领域广泛 采用c a d 技术，可以改变传统的设计方法，扩大计算机的应用范围，密切理论 与实际的联系，促使基础理论的深入发展。装载机工作装置的全部设计，包括 原始参数的确定到最终设计图样的完成，是一项庞大、复杂，而又纵横交错的 系统工程。其中，包括工作装置的参数优化、结构优化、工况分析、运动学和 动力学计算、有限元计算和应力检验等。 迟永滨、郭芬芬】j 在d o s 环境下，采用f o r t r a n 与汇编语言混合编程， 应用菜单技术、模块化结构，在微机上开发了装载机工作装置c a d 系统。张国 胜驯对装载机反转连杆机构工作装置运动学仿真进行了探讨，实现了工作装置 的运动学仿真，工作装黄的作业过程仿真是用计算机预先绘制并贮存的每帧运 动状态图依次调出来实现的。王国彪等【3 3 1 采用t u r b oc 、f o r t r a n7 7 和高级 b a s i c 语言，在微机上对装载机工作装置的运动学、动力学及其结构强度进行 了分析与计算；在装载机工作装置结构参数优选设计程序的基础上，编制了装 载机工作装置微机分析、计算与绘图程序。王佩坤 3 4 提出了旋转变换中心为运 动点列时的图形变换矩阵及用分离一组合法来处理工作装罱运动的复杂图形仿 真问题。方子帆、朱大林等1 3 5 1 1 3 6 】利用t u r b oc 语- g 及屏幕擦画技术编制了装载 机工作装置动态显示程序，绘制出各种工况下铲斗运动轨迹仿真曲线图谱。黄 海东、吕俊伟p 利用f o r t r a n 语言和c 语言在微机上开发了一组“z 形”装 载机工作装置c a d 程序，可以对铲斗、转斗机构及提升机构进行优化设计。 1 3 课题的提出及主要研究内容 对装载机工作装置进行优化设计的研究，在国内已有十几年的历史，并取 得了一定的研究成果，已经在工程中得到应用。总结过去在装载机工作装置优 化设计方面的工作，还存在一些尚未解决的问题。 ( 1 ) 目前装载机工作装置运动关系式的建立，基本上都采用矢量代数法或 矩阵法。装载机铲斗运动是由动臂牵连运动和铲斗相对于动臂转动的合成，传 山东大学硕士学位论文 统解析法计算中常采用反转原理，将机构中的动臂转为机架( 固定不动) ，机架 转为动臂( 转动) ，推演繁杂，难以得出主从动件的直接关系，求导困难，并且 1 i 便j 理解掌握。 ( 2 ) 选择优化方法不适当，按照某些优化方法的要求，用户首先要提供一 个可行初始方案在可行域内运行，这不仅增加了设计人员的工作量，而且实际 上 l 门二装载机工作装置对于尺寸参数的变化极为敏感，可行初始方案很难提供； 可控性差，目标、约束和变量的调整必须通过修改程序来实现，因此作为设计 主体的设计人员对设计过程的参与和控制无法体现，他们的专业经验无法得到 直接发挥；建模有时脱离实际，片面追求某一方面的性能参数。 ( 3 ) 装载机工作装置的运动分析是研究机构性能的重要手段，无论是设计 新机型还是合理地使用现有机型，正确而快捷直观地分析是十分重要的。传统 的方法( 使用t u r b oc 或f o r t r a n 语言) 中工作装置各参数的输入、修改及 运动特性的显示均未实现完全可视化，界面不直观，不能随时修改参数及实现 人机交互对话。 针对装载机工作装置优化设计的研究与应用现状，本文旨在建立工作装置 运动过程的通用数学表达式，探索工作装置优化设计的合理方法，利用v i s u a l c 6 0 开发六连杆机构优化设计及运动仿真系统，实现其参数输入的可视化 及工作装置运动特性的动态显示。本文的研究内容便是基于上述思路展开的。 第一章对装载机工作装置优化设计的发展及现状作了全面的回顾，总结 了其存在的问题和未来的发展趋势，最后给出了本文的主要研究内容。 第二章介绍了机械优化设计的具体应h j 技术，如数学模型的建立、日标 函数的选择、约束条件的建立、优化方法的选择等；对机械优化设计的主要方 法进行了比较，确定了装载机工作装置六连杆机构的优化设计方法，最后详细 介绍了黄金分割法和复合形法两种优化设计算法。 第三章对装载机工作装置六连杆机构进行了运动分析，建立了装载机反 转六连杆机构在举升过程中动臂位置角和铲斗位置角之间、任意位置卸料时转 斗油缸行程与动臂位置角之间的数学表达式，并求出了各铰接点坐标的数学表 达式，为装载机工作装置的优化设计、工作装置的运动仿真提供了数学基础。 6 山东大学硕士学位论文 第四章 实现了装载机工作装置六连卡1 。机构性能参数的计算机辅助分析： 确定了优化设计的标函数，建立约束条件，选择合耻的优化改汁方法，编制 优化改汁样序，刈装找机】作技心人连杆机构进 j ：优化设计，并以实例说叫优 化设计程序的f 确性。 第五章用v i s u a lc + + 6 0 开发了工作装置优化设计及运动仿真系统。用 户可以按照界面的提示输入或修改工作装置的参数，点击相应的按钮即可实现 六连杆机构运动特性的动态显示及优化设计，并给出与运动特性相应的性能参 数及其参数曲线。为装载机六连杆机构的设计提供了一个有力的工具。 第六章给出了本文研究的结论，并对进一步的深入研究进行了展望。 7 山东大学硕士学位论文 第二章装载机工作装置优化设计基础 2 i 机构优化设计 2 1 1 机构优化设计的定义 所谓机构的最优化设计就是根据机构分析及设计的理论，采用数学上的最 优化方法，借助计算机进行计算，使所设计的机构最优地满足预定的各项设计 要求，从而得到最优的设计方案。在利用最优化方法进行机构设计时，首先要 建立一个包括各设计变量( 如各构件的尺寸参数和位置参数等) 的目标函数( 如 以连杆上点m 轨迹误差最小作为设计目标) ，然后在所给约束条件( 如存在 曲柄、传动角在许可范围内、结构尺寸合理等) 的范围内，运用合理的优化方 法，通过循环反复的大量计算和评比，对各设计变量进行优选，以求得目标函 数的最优解1 3 l 。 2 1 2 机构优化设计问题的一般步骤 ( 1 ) 建立机构优化设计的数学模型。解决机构优化设计问题的关键是建立 正确的数学模型，为此，要正确地选择设计变量、目标函数和约束条件，同时 要求建立的数学模型容易处理和求解。 ( 2 ) 选择合适的优化方法和计算程序。选择何利，优化方法和计算程序的i i 要依据是数学模型的特征。如优化问题维数的多少；目标函数的连续性及其一 阶、二阶偏导数是否存存和是否易于求得；有无约束，约束条件是不等式约束 还是等式约束，或者两者兼有。如具有等式约束，显然不能直接用复合形法和 内罚函数法。 ( 3 ) 编写主程序和函数子程序，上机调试和运行，求得优化最优解。优化 设计一般应尽量选用现有的优化程序，设计者只需要按规定格式编写目标函数 和约束函数子程序，这对优化技术的应用与推广无疑是十分有利的。 8 l 【l 东大学硕士学位论文 ( 4 ) 优化结果的分析与评判。分析与评判优化结果的目的在于考证优化结 果的币确性与实用性。尽符优化方法本身是一种科学的方法，但由于机构设计 问题的复杂性和某些钟法自身的局限性，以及优化设计数学模型的失真性，邢 有可能导致设计结果与实际情况不相符，甚至得出谬误的结果。这时，就要剥 设计问题重新进行分析，建立与实际问题更为逼近的数学模型，直至获得没计 要求的最优解为止。 2 1 3 数学模型的建立【1 1 【2 1 【3 1 ( 1 ) 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行调整和优选的独立参数。设计变量有连续 变量和离散变量两种，大多数机械优化问题中设计变量都是连续变量，可用常 规的优化方法进行求解；若变量只能取跳跃式的值才有意义，则称为离散变量， 对于离散变量的优化问题既可以用离散优化方