（车辆工程专业论文）基于整车的自卸车举升机构优化设计平台开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本文以企业的实际需求为出发点，以基于整车的自卸车举升机构优化设计平 台为研究对象，对优化设计平台开发全过程进行了研究。此平台开发改善了企业 对液压举升机构的设计手段和方法，以快速、高效、保质、保量完成液压举升机 构的优化设计，在a d a m s 软件中二次开发建立起国内六种常见举升机构优化设 计平台，解决了六种举升机构各铰接点布置问题。 论文首先综合论述了国内外对自卸车举升机构方面的研究现状，结合项目需 要，以软件开发流程为总线，对企业需求进行了全面分析，明确了优化设计平台 的设计需求、功能需求、理论需求和其它需求，设计了该优化平台的功能级数据 流图并对其进一步细化，同时对优化设计平台运行过程中的数据流向进行了详细 研究。随后从全局高度出发，对优化设计平台总体设计过程进行详细研究，在总 体设计中首先确定了平台开发方式，然后设计了平台体系结构，基本功能结构以 及对各功能模块作用进行具体分析并确定优化设计平台的运行流程。 基于整车的自卸车举升机构优化设计平台开发研究，须有整车的参数化模型 和举升机构优化的数学模型。为此论文分别对自卸车底盘和举升机构( 包括货厢) 参数化展开详细的研究，在举升机构优化数学模型中确定了各优化设计变量、约 束条件和优化目标。 随后，论文对设计平台的具体实现进行了研究，对平台进行详细的菜单、对 话框和各功能模块的设计并编写有关实现自动建模和仿真控制的程序来满足用 户的某些特定要求。同时通过对完成平台进行测试，结果运行稳定，能快速完成 设计作业。论文最后利用所开发的平台对典型自卸车辆仿真分析和优化设计得 出：通过比较整车模型在静力学和动态仿真中油缸推力曲线变化，举升机构在正 常举升情况下，动态仿真的油缸推力最大值比静力学仿真所得的油缸推力最大值 大1 0 一1 5 。平台同时对举升机构进行两种优化设计，当对举升机构中各铰 接点直接进行优化设计时，优化后油缸最大推力比优化前降低了2 0 6 8 ，当考 虑不改变三角板形状时，优化后油缸最大推力比优化前降低了1 2 4 1 。 本文的研究不仅为自卸车举升机构优化设计提供了先进的工具，解决了企业 的迫切需要，同时也可为同类问题研究提供良好借鉴。 关键词：自卸车举升机构优化设计平台开发a d a m s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e g a r d sa c t u a ld e m a n do fe n t e r p r i s ea st h es t a r t i n gp o i n ta n d r e g a r d st h es e c o n d d e v e l o p m e n to ft r u c kl i f t i n g m e c h a n i s mo p t i m i z a t i o n d e s i g np l a t f o r mb a s e do nw h o l em o d e la st h er e s e a r c ho b j e c t 。r e s e a m h e dt h e w h o l ep r o c e s so fp l a t f o r m t h ep l a t f o r mc h a n g e dh y d r a u l i cp r e s s u r el i f t i n g m e c h a n i s md e s i g n m e t h o d ，r a p i d l y ，e f f i c i e n c y ，q u a l i t y a s s u r a n c e t h e p l a t f o r m sf o rs i xk i n d so fl i f t i n gm e c h a n i s mf a m i l i a ri nc h i n aa r ed e v e l o p e da n d e s t a b l i s h e d ，a n dt h eh i n g e dp o i n t so ft h es i xk i n d sa r ea r r a n g e dw i t ha d a m s s o f t w a r e f i r s t l y , t h e s ep a p e md e s c r i b e st h ec u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g ns i t u a t i o n o fr e s e a r c h i n gi nt r u c kl i f t i n gm e c h a n i s m ，c o n n e c tt h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t s ， r e g a r d st h ef l o w ( p a t h ) o fs o f t w a r es e c o n dd e v e l o p m e n ta sb u s ，o v e r a l l a n a l y s i sd e m a n do fe n t e r p r i s e ，a n dc o n f i r m sd e s i g nd e m a n d ，f u n c t i o nd e m a n d ， t h e o r yd e m a n da n do t h e rd e m a n do ft h ep l a t f o r m d e s i g n sd a t a f l o wo fp l a t f o r m i nf u n c t i o nl e v e la n dc a r r i e so nd e t a i l e dr e s e a r c ht ot h ed a t ai nt h eo p e r a t i o n c o u r s eo ft h ep l a t f o r ma tt h es a m et i m e s u b s e q u e n t l y , t h ep a p e rs t a n d st h e g l o b a lp o i n tt oc a r r yo nd e t a i l r e s e a r c ht ot h eo v e r a l ld e s i g np r o c e s s i n p r o c e s s ，c o n f i r m st h ed e v e l o p m e n tw a yo ft h ep l a t f o r ma tf i r s t t h e nd e s i g n s s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，b a s i cf u n c t i o n sm o d e la n dm a k e sac o n c r e t ea n a l y s i st o t h ef u n c t i o nm o d u l e ，p r o v i d e st h eo p e r a t i o np r o c e d u r eo fp l a t f o r m r e s e a r c ht h ep l a t f o r mo ft r u c k l i f t i n gm e c h a n i s mo p t i m i z a t i o nd e s i g n b a s e do nw h o l em o d ei sm u s tb eh a v et h ew h o l ep a r a m e t e r i z e dt r u c km o d e l a n dl i f t i n gm e c h a n i s m sm a t h e m a t i c a lm o d e lf o ro p t i m i z a t i o n ，s ot h ep a p e r d e n t a l l yr e s e a r c ht h et r u c kc h a s s i sp a r a m e t e r i z e da n dl i f t i n g m e c h a n i s m ( c a r r i a g e ) p a r a m e t e r i z e d ，a n dc o n f i r m sa l lk i n d so fd e s i g nv a r i a b l e ，c o n s t r a i n t c o n d i t i o n ，o p t i m i z a t i o no b j e c t a f t e r w a r d s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sh o wt od e s i g nt h ep l a t f o r mc o n c r e t e ， d e s i g n st h em e n u ，d i a l o ga n df u n c t i o nm o d u l e s ，a n dp r o v i d e st h er e a l i z a t i o n c o d e so fa u t o m a t i cb u i l dt h ew h o l et r u c km o d e ia n ds i m u l a t i o nc o n t r o it o s a t i s f a c t i o no fc u s t o m e rd e m a n d i n g a f t e rs e v e r a le x p e r i m e n t ，t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ep l a t f o r mr u n ss t e a d i l y ，i t sc a nq u i c k l yf i n i s ht h e l i f t i n g 武汉理工大学硕士学位论文 m e c h a n i s md e s i g n f i n a l l y ，t h et y p i c a lt r u c ki ss i m u l a t e d ，a n a l y z e da n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n e dw i t ht h ed e v e l o p e dp l a t f o r m b ym e a n so fw h i c ht h e c u r v e sd i s p l a y i n gt h r u s t c h a n g i n gs e p a r a t e d f r o ms t a t i ca n dd y n a m i c s i m u l a t i o no nw h o l em o d e l ，i t sf o u n dt h a tt h em a x i m u md y n a m i ct h r u s ti s 10 一15 m o r et h a nt h es t a t i c sw h i l et h el i f t i n gm e c h a n i s mb e i n gn o r m a l a t t h es a m et i m e ，t w od i f f e r e n to p t i m i z a t i o nd e s i g n sa b o u tl i f t i n gm e c h a n i s ma r e c a r r i e do u t t h em a x i m u mt h r u s ti si n d u c e db y2 0 6 8 c o m p a r e dt ot h ei n i t i a i c o n d i t i o nw i t ha l lt h ej o i n t sb e i n gc o n s i d e r e d ，w h e nt h em a x i m u mt h r u s ti so n l y i n d u c e db y12 4 1 c o m p a r e dt ot h ei n i t i a lc o n d i t i o nw h i l ew i t h o u tc h a n g i n gt h e t r i a n g u l a rs h a p e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a sn o tm e r e l yo f f e r e da na d v a n c e dt o o if o r e n t e r p r i s e ，s o l v e dt h ep r o b l e mo fe n t e r p r i s e ，a tt h es o m et i m e ，i tp r o v i d e sa g o o dr e f e r e n c et os o l v et h es i m i l a rp r o b l e m k e y w o r d s ：t r u c k ，l i f t i n gm e c h a n i s m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a d a m s m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：导 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 伴随着我国经济的快速发展，交通运输业和基建类项目也迅猛发展，市场 对各种工程自卸车的需求量在日益增加，而且用户对工程自卸车的功能亦不断提 出新的要求。在这样的市场背景下，企业品种的更新换代速度必须提高才能跟上 行业发展的步伐，才能获得企业发展所需的利润。但是目前生产企业在设计自卸 车举升机构中大多沿用传统的“类比作图试凑法，设计人员大部分主要是重复 性的做同一种工作：反复移动机构铰接点，计算移动铰接点后机构的最大举升力、 液压缸的行程是否满足要求、举升过程中是否存在干涉问题、是否能够达到给定 的最大举升角等等。这种方法存在效率低、工作量大以及设计方案难以达到最优 的缺点，设计方案难以同时兼顾以上各性能要求。 关于自卸车举升机构优化设计的研究和应用在国外已发展到很高的水平， 国内由于起步较晚，相关的理论分析和应用研究均相对滞后，特别是综合利用多 体系统动力学和最优化设计理论在自卸车整车参数化模型中进行研究还很少，致 使很多企业目前仍主要以经验设计和模仿设计为主，并且对国内自卸车举升机构 优化设计的研究往往只具体到某一种特定的举升机构形式，缺乏一个系统研究自 卸车举升机构优化设计的平台。因此对于生产自卸车的企业来说，往往会遇到对 自卸车六种常见的举升机构进行各铰接点的布置和最大举升角等设计问题。这些 问题严重影响了国内自卸车企业的发展和新产品的推出。 在此背景下，国内专用车企业积极响应提升设计自动化水平，迫切需要设计 人员考虑创建一种全新的设计工具或设计平台，因此广西柳州某专用汽车厂委托 武汉理工大学汽车工程学院展开研究，组建了相关课题组。对基于整车的举升机 构优化设计进行仿真研究，建立一个国内常见的六种举升机构优化设计平台，本 课题就是该研究项目的一部分。 1 2 国内外研究概况 国外对自卸车举升机构优化的研究起步较早，方法也比较多。最先在举升机 武汉理工大学硕士学位论文 构设计上采用类比作图试凑法，但这种方法盲目性大，需多次作图试凑，工作量 很大，而且设计精度较差。随着计算机技术的飞速发展，解析法和矩阵变换算法 相继产生，但是它们都得进行繁琐的计算和编程。到上世纪6 0 年代中期，经过 l i k i n g sh o o k e r 、m a r g a l i e s 、r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人卓有成效的努力，诞 生了多刚体系统动力学。它是在经典力学基础上产生的新学科分支，它针对由多 个刚体组成的力学模型，研究程式化的求解算法，以便实现计算机自动建立方程 并求解。多刚体系统动力学诞生以后发展很快，形成了几种风格不同的流派，代 表性的方法有r - w 方法、旋量方法、凯恩方法和第一类拉格朗日方法等。，_ 1 9 7 7 年，国际理论和应用力学学会主持召开的第一次多刚体系统动力学研 讨会，是这门学科发展的重要里程碑。它标志着多刚体系统动力学的建模方法已 基本得到解决。从此，原先从事多刚体系统动力学研究的学者纷纷转向对带柔性 的多体系统动力学的研究，于是，“多刚体系统动力学的内涵得到延伸，成为 “多体系统动力学 。 19 8 3 年，由北大西洋公约组织与美国国家科学基金委等 ( n a t o n s f a r d ) 在美国i o w a 大学联合举办的机械系统动力学计算机辅助分 析和优化高级讲习会。时隔两年，第八届国际车辆动力学协会( i n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o no fv e h i c l es y s t e md y n a m i c s ，i a v s d ) 会议中k o r t u n m 和s c h i e h l e n 发表了用于车辆动力学仿真的多体软件。1 9 8 5 年，i u t a m 与国际机器及机构理 论联合会( i f t o m m ) 联合在意大利u d i n e 由b i a n c h i 和s c h i e h l e n 主持举行了第 二届国际多体系统动力学讨论会，会议中总结了改领域的进展，标志多刚体系统 动力学已趋于成熟【埘。 1 9 8 9 年由德国斯图加特大学主持对当时比较先进的大型软件进行测试，编 辑出版了多体系统手册；以后几乎每年都有国际的多体系统动力学的会议， 并出现了多体系统动力学的专门刊物。 1 9 9 0 年，h u s t o n 出版了( m u l t i b o d yd y n a m i c s ) ) ，其讨论了多体系统动力学、 数值方法以及多柔体系统动力学。同时g a r c i a 和b a y o 在1 9 9 4 年出版了 ( ( k i n e m a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o no fm u l t i b o d ys y s t e m ) ) ，提出了完全笛卡 尔坐标方法，并给出了一种求解效率高的计算方法用于实时仿真的需要。 19 9 6 年，s t e j s k a l 和v a l a s e k 出版了k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so f 2 武汉理工大学硕士学位论文 m a c h i n e r y ) ) ，从空间机构的c a d 设计入手，讨论了自由刚体问题，给出了高副 和低副运动学约束的描述，并讨论了动力学分析以及数值计算方面的问题【1 0 1 。 上述充分说明了这门学科从理论建模到面向工程的计算机辅助仿真研究的 大发展。自19 8 5 年k o r t u n m 和s c h i e h l e n 发表了用于车辆动力学仿真多体软件的 短短几年内，许多大型通用计算机软件不断涌现，并在商业化方面取得巨大成功。 这些软件的应用领域非常广泛，以致西欧和北美的工程师们已习惯于在机械系统 的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新设计的产品进行研究、分析和优 化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制中制造、调试样机所占用的成本消 耗。同时，在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流多体软 件的开发和应用的经验，传递信息并提出新的思想和研究方向。由w s c h i e h l e n 编撰的多体系统手册( m u l t i b o d ys y s t e mh a n d b o o k ) 就是这种形式发展下的产 物，其中包括了全世界范围内近2 0 个研究团体的成果，如著名的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 机械系统的自动动力分析) 和d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 动力学分析和设计系统) 等。这 些软件结构性强、功用完备、操作方便，不但能够求解航天器和机器人等以开环 和低运动副为主的机构，而且能求解车辆等结构形式复杂的多闭环系统。 综上所述，机械多体系统动力学和优化设计方法等理论在计算机中实现并应 用于汽车诸多领域在欧美国家发展较早，同时也使他们的汽车工业保持了世界领 先地位。 ， 在国内，多体系统动力学和优化设计方法等理论在计算机中实现并应用起步 较晚，但随着2 0 世纪9 0 年代末国内汽车工业的快速发展，为提高企业的创新 能力以及产品的研发效率，此项技术也越来越被设计人员所关注。特别是这些年 研究人员用多体系统动力学和优化设计方法等理论在计算机中对自卸车整车分 析和优化做了许多工作。 1 9 9 4 年，凌河汽车研究所的梁海林推导出动态下油缸举升力数学表达式， 讨论了举升机构优化设计的目标函数、设计变量及各种约束条件，建立了计算机 优化设计的数学模型，并在此基础上，提出了一种优化方法m ，1 9 9 5 年，武汉 工学院的常思勤和王元良等人介绍了开发研制的自卸汽车举升机构c a d 系统的 功能与特点，着重讨论了举升机构的优化设计问题并给出了计算实例【3 9 l ，但其系 3 武汉理工大学硕士学位论文 统是建立在d o s 操作系统中，而且只对单独举升机构进行优化设计。同年，吉 林工大的秦四成等人在自卸汽车举升机构优化设计中根据其实际使用要求， 建立了优化设计的数学模型，进行了优化设计。其研究是采用计算机编制程序的 方式优化结果，使油缸行程取得最小值。19 9 7 年，铁道部襄樊内燃机车工厂专 用汽车厂的张冬岩对自卸汽车举升机构铰支点初始位置进行了优化计算，从而改 善了举升机构的油压特性曲线和避免初始油压值过大对液压元件形成较大冲击 【3 7 】。武汉理工大学的周廷美和崔元捷等人在2 0 0 1 年采用计算机辅助设计的方法 对重型自卸车的举升机构的布置方案、各个不同举升位置的受力计算、举升油缸 及液压系统的设计计算进行了探讨【3 1 】。2 0 0 3 年，湖南三湘客车集团有限公司特 种车公司的尹雄武在轻型自卸车举升机构的优化设计中介绍了一种借助任意 三角形的计算公式来求证验算举升机构的设计运用参数化设计分析自卸汽车的 马勒里举升机构的干涉受力情况，为自卸汽车举升机构的设计计算提供了快速准 确的方法。 从以上论文中可以看出，国内学者开始对自卸车举升机构优化设计有一定的 研究，不过这些研究主要是建立数学模型利用计算机语言编程的方法来实现，程 序较为复杂，而且所研究的举升机构型式单一。在2 0 0 3 年，武汉理工大学的王 承等开始利用a d a m s 软件建立自卸车举升机构的虚拟样机参数化模型，对其进 行动力学仿真分析，对举升机构的位置布置进行了优化设计 2 6 1 ，其研究改变了传 统的计算机编制程序的方法而采用虚拟样机模型2 0 0 4 年，汪惠群和郑建荣在文 献【18 】中介绍了在a d a m s 软件中进行参数化建模与分析的过程，并以单环滑车 ( 过山车) 制动力为例进行了研究。结果表明，通过参数化分析，可以得到最为优 化的制动力，为机械设计的优化提供了有效的途径。同年，天津大学的崔新涛和 毕风荣在文献【3 0 】中运用机械动力学分析软件a d a m s 建立了自卸汽车举升机构 的动力学仿真模型，并对机构进行了动力学仿真分析，分析所得结果对强度设计 提供了依据。次年，武汉理工大学的张毅在文献【3 8 】中利用a d a m s 软件中参数 化建模与分析功能，建立了自卸车举升机构的参数化模型，以举升过程中工作油 缸最大推力最小为优化目标，对举升机构的各铰接点位置布置进行了优化设计。 优化结果表明，采用该方法进行自卸车举升机构优化设计简单可行，较传统编程 计算无需推导计算公式和编写计算程序，操作简单，结果形象直观，为举升机构 4 武汉理工大学硕士学位论文 优化设计提供了一种方便、实用的新途径。2 0 0 5 年，武汉理工大学的成耀龙和 马力等人在文献【2 5 1 中以a d a m s 软件为平台，研究开发了自卸车举升机构的优 化设计平台。介绍了平台总体方案设计、功能模块设计、菜单设计以及对话框设 计，并利用所设计的平台对典型自卸车举升机构的关键位置参数进行了优化设 计，给出设计结果。2 0 0 6 年，武汉理工大学的李小华和马力在文献【2 4 】中研究 了面向大规模定制的专用车产品配置问题，针对自卸车举升机构提出了产品配置 方案，建立了举升机构的统一数字模型，并编制了产品配置优化设计程序，对典 型的自卸车进行了举升机构配置，取得了较好的结果，为自卸车举升机构的设计 提供了有效的工具。 综合上述的文献资料发现，国内这些年来对于自卸车举升机构优化设计方法 的研究较为广泛，研究方法已达到较高水平，但是针对国内几种常见的自卸车举 升机构优化设计的研究缺乏一个统一的平台。建立这样统一的平台对当今自卸车 企业快速响应用户需求，缩短开发阶段时间，减少研究经费投入等方面都有着积 极的意义。因此基于整车的自卸车举升机构优化设计平台的建立就显得十分必要 和迫切。 1 3 研究内容 根据企业具体要求，结合国内外的研究发展现状和本课题的研究目标，本文 的主要研究内容包括： ( 1 ) 基于整车的自卸车举升机构优化设计平台需求分析 需求分析是平台开发前的首要任务，其主要目的是深入分析所开发平台的具 体要求，这种要求不仅仅局限于功能上，同时还包括平台的开发方式、理论基础、 平台运行的软硬件环境以及界面等要求。通过对企业需求的详细分析和研究，可 以有效的指导后续开发工作，也可以从宏观上保证所开发平台的质量。 ( 2 ) 基于整车的自卸车举升机构优化设计平台总体方案设计 平台总体方案设计首先根据用户要求确立总体目标，在保证系统能达到总体 目标要求的前提下，展开系统结构设计、功能结构设计和系统流程设计。 ( 3 ) 自卸车整车模型的参数化建模研究 自卸车品种繁多，同一底盘的自卸车车型的举升机构有许多结构形式，同时 5 武汉理工大学硕士学位论文 也有同一举升机构结构形式对应不同的型号底盘。当整车建模时，应考虑模块组 建方式以便于提高建模效率。因为本文要求对各举升机构进行优化设计，所以在 建立自卸车仿真模型时必须采用参数化建模。 ( 4 ) 具体实现优化平台的研究 优化平台的具体实现是本文研究的重点，根据需求分析以及总体设计确定的 方案，对平台的菜单、对话框和功能模块进行详细设计，并编制计算机程序，使 所设计的平台操作简便、功能齐全。 ( 5 ) 对典型的自卸车举升机构优化进行设计和研究 平台在交付企业使用之前，必须对平台的各项功能进行逐步测试。本文利用 此设计平台对某典型的自卸车举升机构进行优化设计，提交布置参数以及结果， 分析优化前后数据和曲线，找出其中存在的一些问题并加以改进。同时对于不同 仿真剧本的设置对仿真结果影响进行研究。 1 4 研究目的和意义 本课题研究目的是借助虚拟样机技术，运用最优化设计方法，改善液压举升 机构的设计手段和方法，快速、高效、保质、保量完成液压举升机构的优化设计， 同时建立国内六种常见的举升机构优化设计平台，解决六种不同举升机构各铰接 点设计问题。 基于整车的自卸车举升机构优化设计平台的建立将为企业提供现代化的设 计工具，为了企业缩短在开发阶段所占用的时间、减少研究经费的投入、优化产 品设计、降低产品成本等具有重要的现实意义。同时，充分利用现有软件的二次 开发功能，在通用平台的基础上开发专用系统对于提高企业的创新能力以及产品 的研发效率具有积极作用。对于提高我国汽车c a d c a e 软件二次开发的研究水 平、推广二次开发软件的应用范围以及应用深度具有良好意义。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章设计平台需求分析 需求分析要求详细、准确地分析清楚系统必须“做什么 ，它是关系到软件 开发成败的关键阶段，因此软件的开发者首先需要根据用户一些具体要求，来指 导随后平台的总体设计、具体实现以及最后的平台测试。根据企业给出的具体要 求，首先应对用户设计需求和平台功能需求进行分析，这对平台开发的尤为重要。 在此基础上对理论需求进行分析，同时展开平台数据流设计和数据流细化工作， 最后对既应用软件进行介绍。 2 1 用户需求分析 2 1 1 设计需求 通过对日常设计中所遇到问题分析和将来设计发展的需要，企业设计人员 提出了优化设计平台技术要求。根据企业提出的技术要求，结合对目前国内现状 发展分析提出平台应满足以下基本设计要求： ( 1 ) 平台能进行传统方法的自卸车举升机构设计。因此能够进行自卸车举 升机构仿真分析和自卸车总体布置设计。 ( 2 ) 平台应能对国内六种常见的自卸车举升机构进行优化设计，包括直推 式、浮动油缸式、前推杠杆式、后推杠杆式、前推连杆式、后推连杆式等型式。 同时还应考虑特殊情况下举升惯性力对举升机构的影响。 ( 3 ) 平台要求以举升机构各铰接点位置为设计变量，以举升过程中油缸最 大举升力最小为优化目标对以上六种常见举升机构进行优化设计。 ( 4 ) 平台要求能处理布置约束和性能约束，布置约束主要是布置空间对举 升机构的布置限制。这方面的约束包括两方面：第一，各铰接点重新布置，约束 只限于对安装点的位置进行限制，这种约束适合新车型的设计；第二，要求保证 三角臂和拉杆几何形状不变的情况下，对它们的位置重新布置，这时布置约束包 括部件的几何约束和安装点的位置约束，这种情况适合老车型的改进设计。性能 约束主要包括最大举升角、油缸行程和最大推力等方面的限制，另外还要求可以 进行运动干涉检查。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 平台要求能对输出设计结果，包括数据和图表，便于设计人员进行设 计分析和试制。 2 1 2 功能需求 除了核心设计要求以外，企业还对设计平台提出了一些其它的功能要求，主 要包括： ( 1 ) 优化设计平台应与a d a m s 进行有机结合，使设计者不仅可以充分利 用该平台的全部功能自动进行举升机构的优化设计，而且还可以方便的使用 a d a m s 原有全部功能。 ( 2 ) 平台的主要功能包括模型建立、模型修改、模型仿真、优化设计和结 果输出。模型建立可处理以上各种自卸车举升机构参数化自动建模，建模完成后 通过仿真模块进行仿真，检验举升机构模型的有效性，如果需要对模型进行修改， 可调用模型修改模块对参数进行修改，建模完成后即可调用优化设计模块进行优 化设计，在优化设计时需要指定有关约束和优化设计控制变量，优化设计完成后， 可通过结果输出模块得到设计结果，设计结果为设计变量的最佳设计值。如果设 计中模型出现干涉，系统会出现报错或警告信息。 ( 3 ) 系统应具备举升机构实际工况模拟功能，以分析因铰点布置有误出现 举升时后端过重而前端过轻，造成驾驶室抬起现象。 ( 4 ) 系统举升机构实际工况模拟功能还应能对举升过程的整车稳定性进行 校核，避免举升过程中重心不稳定造成侧翻，特别是前顶式举升机构。 2 1 3 理论需求 为了保证优化设计结果的可靠性和经济性，此优化设计平台采用目前先进并 合适的理论作为自卸车举升机构优化设计平台的理论基础。 ( 1 ) 采用多刚体系统动力学理论进行系统分析 在满足设计要求的前提下，企业要求可以不考虑自卸车中一些大型构件的弹 性问题，并对自卸车中的一些结构进行简化，因此可以采用多刚体动力学理论进 行研究。同时采用计算多体系统动力学分析可以很便利的建立力学模型，并在系 统内部由多体系统力学模型得到动力学数学模型，再者只需要一个优良的求解器 对数学模型进行求解，就可得到丰富的求解结果显示查询。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用最优化设计理论为设计基础 在实际设计中，目前大多数企业设计人员采用实际经验和传统的“类比作图 试凑法 进行设计。随着在实际设计中限制条件的不断增多，传统的方法很难兼 顾各种设计条件，同时传统的方法工作量大，效率低。但采用最优化理论作为设 计指导就能很好的解决问题。在本课题中要求举升机构各铰接点在一定的取值范 围内得到油缸推力最大值的最小值，因此在采用最优化设计理论时，以油缸推力 最大值的最小值为目标函数，举升机构各铰接点的位置为设计变量，其他设计条 件为约束条件，建立数学模型求得一个最优解。但是设计经验和传统的设计方法 对最优化设计有一定的作用，如举升机构各铰接点位置取值范围的大小和其他一 些条件的限制，都对提高平台的设计速度、计算效率有重要影响。 2 1 4 其它需求 设计平台除了要满足企业的设计需求以及功能需求以外，在开发过程中也应 考虑其他一些细节需求如设计平台运行的硬件平台、设计平台的执行效率、人机 交互性等。企业方对于设计平台其它的一些需求也给出了具体描述： ( 1 ) 设计平台先进性要求 设计平台目前要具有良好的先进性，且在一定时期内仍能保持一定的先进程 度，以便企业日后进行应用推广。而且设计平台应界面友好实用、人机交互过程 方便，便于学习和使用，具有一定容错性和可扩充性。 ( 2 ) 设计平台硬件环境的要求 由于目前自卸车企业进行举升机构优化设计时所使用的微机系统多为基于 w i n d o w s 操作系统的p c 机。因此，设计平台必须能够正常运行在企业3 2 位微 机上，且开发的设计平台目前为单机版，不得与外界留有通信接口，避免设计数 据外泄。 ( 3 ) 满足至少6 种不同举升机构类型的结构优化设计要求 优化平台应尽可能支持不同举升机构同一底盘类型结构的车型或具有同一 举升机构不同底盘类型的的优化设计，加强设计功能的同时降低企业进行再次开 发的投入。目前至少应满足6 种不同举升机构的设计要求，对于今后其它结构的 设计，平台应具有可扩充性。 ( 4 ) 开发方式及支撑软件要求 设计平台的开发应以通用软件为支撑软件，采用二次开发方式进行。平台的 9 武汉理工大学硕士学位论文 开发不能破坏原有支撑软件，不能对原有支撑软件的功能、可操作性和使用环境 有不良影响。选择的支撑软件必须以多刚体动力学理论和最优化设计理论基础的 仿真软件，且软件功能强大、分析可靠、操作简便、运行效率高、具有二次开发 接口并在汽车行业具有较高知名度以及占有较大的市场份额。 2 2 研究工作的理论基础 2 2 1 多刚体系统动力学理论 根据企业需求，整个系统的建模是以多刚体系统动力学理论为基础的，因此 对它的基本原理和基本公式进行分析，对于模型参数的选取和约束的添加等具有 必要性。 多刚体系统可以看作是由运动副或力单元相连接的单个刚体的集合体例。如 图2 4 所示，如果系统中没有运动副，那么该系统叫做自由多刚体系统。图中， 五为刚体f 上的作用力矢量，n ；为刚体f 上惯性坐标系中的力矩矢量。假设系统 中由b 个刚体通过许多力单元相互连接，这些力可以是常力也可以是随时间变化 的力，则自由多刚体系统的运动方程为： m h + b g ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中m 代表系统质量矩阵，h 代表系统加速度矢量，b 包括了二次 速度矢量，g 则是系统力矢量。其中力矢量包括所有的内外力和力矩，重力作为 外力考虑，而系统中的力单元，如弹簧作为内力考虑。 图2 1 自由多刚体系统图2 - 2 约束多刚体系统 如果系统中有一个或多个运动副，则这个系统叫做约束多刚体系统。在一个 约束多刚体系统中，一个或多个刚体由运动副相连，除运动副外，通常还有力单 元( 如图2 2 所示) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 由b 个刚体组成的系统，如果系统坐标矢量由符号口表示，那么，系统中的 运动副代表m 个独立约束，通常情况下是q 的非线性方程，即 1 1m q ) 一0 ( 2 2 ) 每个运动副在所连接的刚体之间产生作用反力，作用反力由矢量g ( ) 表示： g ( o 一【g ：) r ，g 乒厂，g ：，r ( 2 - - 3 ) 其中g j “，f = 1 ，2 ，6 ，是作用在刚体f 上的运动副支反力矢量。约束力g ( 和外 力g 提供了作用在系统上的合力。因此，方程( 2 - - 1 ) 即变为： m h + b g + g ( 。) ( 2 4 ) 方程( 2 2 ) 和方程( 2 4 ) 一起代表了约束多刚体系统的运动方程。在给出 系统外力和约束的情况下，求解( 2 4 ) 式即可以求出约束系统内任- - hz 体的位 移、速度、加速度等物理量。 从以上分析可知，要采用多刚体动力学理论进行分析，必须确定系统的物理 参数和力学参数，对于几何参数可以适当选取。 2 2 2 最优化设计理论 企业明确要求平台能对举升机构各铰接点的位置布置进行优化设计，因此首 先分析最优化设计的基础理论，对以后平台的搭建有很大的好处。最优化设计， 就是在给定的载荷或环境条件下，在对产品的性质、几何尺寸关系或其它因素的 限制( 约束) 范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种设 计方法。设计变量、目标函数和约束条件这三者在设计空间( 以设计变量为坐标 轴组成的实空间) 的几何表示中构成设计问题。当然，要建立能反映客观工程实 际的、完善的数学模型并不是一件容易的事。另外，如果所建立的数学模型的数 学表达式过于复杂，涉及的因素很多，在计算机上也会出现困难。因此，要抓主 要矛盾，尽量使问题简化，这样不仅可节省时间，有时也会改善优化结果。 设计变量是在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，在这些 参数确定以后，则设计对象也就完全确定。其数学表达式一般为： x - - ! k 矗兄r ，x dc f ( 2 - - 5 ) 在( 2 5 ) 式中表示有n 个设计变量，以n 个独立变量为坐标轴组成的n 武汉理工大学硕士学位论文 维向量空间是一个n 维实空间，如果其中任意两向量又有内积运算，则称n 维 欧式空间，用e 1 表示。当向量z 中的各个分量葺a 1 2 ，厅) 都是实变量时则称z 决定了n 维欧式空间e 4 中的一个点，并用符号x e e 一表示。d 表示n 维空间e 。 中的可行域。 目标函数是设计中预期要达到的目标，表达为各设计变量的函数表达式： ，t 乃 ( 2 6 ) j 町 十 式中为了平衡各目标间的相对重要性引入w 加权因子，w ；第j 项指标 的加权因子，僻) ( j - 1 , 2 , ，q ) 表示在q 个目标函数中第j 个目标函数。 约束条件是对设计变量取值时的限制，在最优化设计中可分为等式约束和 不等式约束。等式约束形式为： j l l ，僻) 一0 - 1 , 2 ，p ) ( 2 7 ) 不等式约束更为普遍，其形式为： g 。( 石) s0 ( h 1 ，2 ，肼) ( 2 8 ) 式中x 设计变量，p 等式约束的数目，m 不等式约束的数目。 目标函数的最优值一般可用最小值( 或最大值) 的形式来体现，因此，最 优化设计的数学模型可简化为： m i l l 厂 x d c e s t h v 僻) 一0 ，一1 , 2 ，p g 。( x ) s 0 比一1 ，2 ，m 建立数学模型是最优化过程中非常重要的一步，数学模型直接影响设计效 果。因此在列数学模型是要抓住关键因素，适当忽略不重要成分，使问题合理 简化。同时对于复杂的最优化问题，可建立不同的数学模型，在一个数学模型 由于不能求得最优解时应修改数学模型的型式或更换另一种数学模型。由此可 见，展开对数学模型的理论研究对最优化设计工作有着十分重要的意思。 2 3 优化设计平台数据流设计 数据流建模是主要应用数据流图( d a t af l o wd i a g r a m ，简称d f d ) 来表示 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 信息在系统中流动和处理的一种结构化分析方法。数据流图是表示系统逻辑模型 的常用工具，图中不存在任何具体的物理元素，它只需考虑系统必须完成的基本 逻辑功能，不需要考虑如何具体地实现这些功能。由于数据流图通常只需要使用 四种基本符号，而且在数据流图中不包括任何物理实现的细节，因此绝大多数用 户与分析员及分析员与设计人员之间的交流都能很好的得到理解，同时它也是工 程设计与计算机技术之间的沟通桥梁。因此，数据流建模是平台总体设计的前提， 同时也对于平台体系结构设计有着重要意义。 2 3 1 基本数据流模型 数据流图中有四种基本符号，它们分别表示数据的源点或终点、对数据进行 的加工、处于静止状态的数据存储和处于运动状态的数据流。第一步是提取数据 流图的各种成分，建立高层次的基本系统模型。根据自卸车举升机构优化设计平 台的特点以及开发要求，设计人员将设计要求等数据提交给设计平台，平台对数 据进行处理后给出优化设计结果，最后将设计结果提交给审核人员审核，其中设 计人员为源点，审核人员 为终点。数据流模型的建 立使得所有的数据源点、 终点一目了然的，平台的 处理对象和结果十分清 。 设计 ，r、 优化设 l 要求 举升机构 计结果i 优化设计 j r 平台 lj 图2 3 优化设计平台基本数据流模型