DOE方法下的液壓挖掘機斗桿優(yōu)化設計

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摘要：以某型液壓挖掘機斗桿為研究對象,運用有限元分析軟件ANSYSWorkbench建立斗桿參數(shù)化模型,并對其結構進行靜力學分析。基于doe優(yōu)化方法的斗桿優(yōu)化設計,將參數(shù)化建模和多目標參數(shù)優(yōu)化方法綜合運用到斗桿結構設計中,通過靈敏度分析、局部優(yōu)化分析確定最優(yōu)設計方案。

關鍵詞：斗桿；參數(shù)化建模；DOE優(yōu)化方法；有限元分析

引言

選取斗桿參數(shù)化模型中主要設計參數(shù)作為結構輕量化設計的優(yōu)化變量,利用優(yōu)化軟件OptiSLang對結構進行優(yōu)化設計。以斗桿總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標,在保證結構具有足夠剛度和強度的條件下,尋求最優(yōu)設計方案,使斗桿整體箱型結構具有最佳承載能力。

1DOE設計方法

DOE(DesignofExperiment)設計方法是基于過程優(yōu)化環(huán)節(jié)，分析輸入與輸出參數(shù)之間的變化關系，辨識諸多參數(shù)中的關鍵因子，確定最佳參數(shù)組合，為后續(xù)進行結構優(yōu)化設計與結構強度優(yōu)化等提供有效的技術分析方法。

2建立參數(shù)化模型

基于Pro/E創(chuàng)建參數(shù)化模型，對諸多部件進行完整定義，輸入各部件之間關系式和對應的參數(shù)，模型中所有尺寸直接由定義的參數(shù)來控制，參數(shù)設計時要充分考慮分析模型后續(xù)更新以及零部件之間的干涉情況。參數(shù)化模型創(chuàng)建完成后可以直接使用已提前定義的參數(shù)對模型進行修改更新，可以方便、有效地進行結構強度優(yōu)化和拓撲優(yōu)化分析。分析前當Pro/E與ANSYSWorkbench之間數(shù)據(jù)傳遞時，參數(shù)化模型首次導入ANSYSWorkbench后可以直接對模型進行尺寸控制。Pro/E中建立好的全參數(shù)化斗桿模型與參數(shù)關系式如圖2、圖3所示。

3斗桿DOE優(yōu)化設計

3.1輸入變量值

本文以液壓挖掘機工作裝置主要運動部件斗桿箱體結構作為研究對象，斗桿一般是由鋼板焊接而成的箱型結構,在斗桿箱體DOE優(yōu)化時，充分考慮箱體內(nèi)肋板在斗桿回轉時承受彎扭作用，因此斗桿內(nèi)肋板的合理設計對斗桿整體箱型強度有非常重要的作用。參數(shù)設計時，斗桿主要的輸入?yún)?shù)變量有內(nèi)肋板板厚hou、斗桿后支座中心與內(nèi)肋板連線與水平方向角度jiaodu、內(nèi)肋板與水平方向角度角度jiao－du2，主要參數(shù)示意如圖4所示。定義各主要參數(shù)變量的取值區(qū)間，如表1所示。

3.2輸出參數(shù)設置

基于DOE設計方法的斗桿優(yōu)化設計，以保證斗桿最佳力學性能即足夠的強度和剛度，優(yōu)化斗桿總質(zhì)量為目標。因此，分析中合理設置目標監(jiān)測位置，斗桿內(nèi)肋板關鍵控制點的等效應力P6，斗桿等效應力較大區(qū)域P4、P5，以及斗桿總質(zhì)量P7作為此次優(yōu)化目標，并取相應位置的最大等效應力與總質(zhì)量作為響應輸出參數(shù)。通過對輸入和輸出參數(shù)之間變量正交計算與結果對比分析，得出參數(shù)間影響及變化規(guī)律。輸出目標位置監(jiān)測點及最大等效應力參數(shù)定義如圖5所示。

3.3DOE分析加載與結果分析

采用ANSYSWorkbench中響應曲面優(yōu)化與目標驅動優(yōu)化模塊，以斗桿內(nèi)肋板關鍵參數(shù)為輸入變量，通過DOE正交數(shù)組方法設計輸入變量，根據(jù)實際姿態(tài)工況，設定約束條件，施加工作載荷，以斗桿等效應力、等效位移和斗桿質(zhì)量為設計目標，對斗桿進行上述姿態(tài)靜應力計算分析，探討斗桿內(nèi)肋板參數(shù)因子對斗桿力學性能及總質(zhì)量的影響和變化規(guī)律。通過正交組共計15個點位抽樣連續(xù)計算，得到相應的計算結果，如表2所示。通過DOE數(shù)組分析的靈敏度分析查看輸入?yún)?shù)變量對輸出相應參數(shù)的影響程度。圖6直接顯示3個設計參數(shù)和4個輸出參數(shù)之間的靈敏度情況，即jiaodu2對zhofuban影響很大，而其他兩個參數(shù)對其影響很小；jiaodu對shyiban影響很大，而厚度對其影響很?。籮iaodu對leiban影響很大，而厚度對其影響很?。籮iaodu2對總質(zhì)量P7影響很大，而角度對其影響較小。由此可知，支座中心與內(nèi)肋板連線水平角度jiaodu、內(nèi)肋板水平角度jiaodu2對斗桿與內(nèi)肋板等效應力影響程度最為明顯，內(nèi)肋板水平角度jiaodu2對斗桿總質(zhì)量影響程度最為明顯。由圖7（a）可知，隨著jiaodu值增加至55°時，zhofuban應力值逐漸減小，呈負相關性，當jiaodu值由55°增加至70°時，zhofuban應力值逐漸增大。由圖7（b）可知，隨著jiaodu值增加，shyiban應力值逐漸增加，兩者呈正相關性。由圖7（c）可知，隨著jiaodu2增加至55°時，shyiban應力值逐漸增大，呈正相關性，當jiaodu2由55°增加至70°時，shyiban應力值逐漸減小。由圖7（d）可知，隨著jiaodu增加至60°時，leiban應力值逐漸減大，呈正相關性，當jiaodu繼續(xù)增加時，leiban應力值減小。根據(jù)以上分析，進一步對內(nèi)肋板的最優(yōu)位置與厚度進行篩選，分析時以斗桿箱型體關鍵部位的應力值作為優(yōu)化目標，即斗桿內(nèi)肋板和中腹板等效應力值小于設置目標值，斗桿總質(zhì)量最小化。根據(jù)要求設置各響應參數(shù)的重要級別，得到內(nèi)肋板的最佳位置，通過計算優(yōu)化篩選出3組最符合優(yōu)化條件的候選組合，如圖8所示。其中，組合A相比于組合B、C，內(nèi)肋板等效應力值明顯偏低，且其他分析結果基本相同，因此組合A更適合作為最佳優(yōu)化結果。分析結果表明，斗桿在滿足力學性能的前提下，通過對參數(shù)設置重要度對斗桿整體進行優(yōu)化，使斗桿的結構強度達到最佳水平。

4結語

本文以挖掘機斗桿為研究對象，采用DOE(DesignofExperiment)設計方法，分析各組成參數(shù)因子對斗桿整體力學性能及自重的影響及變化規(guī)律，獲得設計候選組合，通過ANSYSWorkbench目標驅動優(yōu)化模塊，篩選斗桿各組成參數(shù)最佳組合值，保證斗桿足夠強度和剛度的條件下，實現(xiàn)斗桿優(yōu)化設計的最優(yōu)方案，本文采用的設計方法與優(yōu)化思路對工程機械結構優(yōu)化設計提供技術參考。

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作者：莊攀 楊良德 單位：常德達門船舶有限公司