轮式装载机工作装置多学科协同优化技术的研究

论文摘要

轮式装载机是一种广泛应用于高速公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械。工作装置是轮式装载机直接实现铲装物料的机构，工作装置设计合理与否关系到整机的结构尺寸、作业效率、作业成本和使用寿命。工作装置优化设计时需要考虑铲斗截面几何形状，需要考虑连杆机构9个铰接点的位置，需要考虑机构撕裂、干涉、平移性、自动放平性等性能约束，已有的研究通常针对工作装置铲斗机构或连杆机构某一部分进行。工作装置是一个整体，对各个部分分别进行优化然后进行组合显然难以实现整体最优，因此本文将多学科协同优化设计的思想引入到工作装置设计中来。主要研究内容包括：在第一章中首先介绍了装载机工作装置优化设计研究现状及存在的问题，然后介绍了多学科综合优化设计基本思想和主要研究内容，最后提出将多学科协同优化设计思想应用到工作装置设计中。在第二章中首先介绍了轮式装载机工作装置传统设计过程，然后提出将装载机工作装置分解为机构学和结构学两个子学科，建立了工作装置多学科协同优化过程模型，以指导第三章、第四章和第五章的优化。第三章对工作装置机构学子学科进行优化。工作装置机构学子学科又分为铲斗机构子学科与连杆机构子学科，铲斗机构子学科的优化采用无约束条件优化算法与灵敏度分析相结合的方法，连杆机构子学科在灵敏度分析的基础上采用罚函数-遗传算法进行优化。通过灵敏度分析，找出了对工作装置优化设计影响程度较大的设计变量，使得设计人员在进行工作装置优化设计和设计变更时可以重点考虑。第四章对工作装置结构学子学科进行优化。装载机工作装置包括铲斗、动臂、摇臂等多个部件，由于工作量的原因本文只对动臂进行了研究。采用基于数值计算的有限元法对动臂进行了结构分析与优化，并对动臂结构设计变量进行了灵敏度分析，为第五章多学科协同优化设计准备初始条件与结构学子学科局部灵敏度值。第五章根据第三章和第四章的分析结果，采用改进的基于全局灵敏度法方程的并行子空间算法，对工作装置机构学子学科优化和结构学子学科优化进行了综合，以某型号装载机为例进行了运动学仿真，与优化前的模型进行了比较分析，结果表明多学科优化方法能改进工作装置主要工作性能。最后对全文进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.2 多学科优化设计
• 1.2.1 MDO 的提出
• 1.2.2 MDO 研究现状
• 1.2.3 MDO 的研究内容
• 1.2.4 MDO 求解策略
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 装载机工作装置 MDO 过程建模
• 2.1 装载机工作装置传统优化流程
• 2.2 装载机工作装置（MDO）过程建模
• 2.2.1 工作装置总体方案初始设计
• 2.2.2 工作装置优化问题分析
• 2.2.3 系统分解
• 2.2.4 系统灵敏度分析
• 2.2.5 子空间分析优化
• 2.2.6 系统分析与协调优化
• 2.3 小结
• 第3章 机构学优化
• 3.1 轮式装载机总体设计参数
• 3.2 铲斗横截面设计
• 3.2.1 铲斗横截面设计相关理论
• 3.2.2 基于灵敏度分析的铲斗横截面设计
• 3.2.3 铲斗三维实体建模
• 3.3 连杆机构优化
• 3.3.1 遗传算法
• 3.3.2 连杆机构优化问题分析
• 3.3.3 建立优化数学模型
• 3.3.4 优化连杆机构数学模型
• 3.3.5 连杆机构子学科优化运算
• 3.4 工作装置机构三维模型
• 3.5 小结
• 第4章 结构学优化
• 4.1 工作装置结构学分析
• 4.1.1 结构优化
• 4.1.2 ANSYS 软件介绍
• 4.1.3 装载机工作装置结构学优化分析
• 4.2 动臂的静力学分析
• 4.2.1 工况分析
• 4.2.2 构件外力等效与计算
• 4.2.3 动臂静力学分析
• 4.3 动臂结构优化设计
• 4.3.1 建立动臂结构优化数学模型
• 4.3.2 动臂结构优化设计
• 4.4 小结
• 第5章 装载机工作装置多学科综合优化
• 5.1 工作装置 MDO 数学模型
• 5.1.1 工作装置优化问题描述
• 5.1.2 全局灵敏度求解
• 5.1.3 工作装置多学科优化数学模型
• 5.2 工作装置 MDO 优化器
• 5.2.1 搜索策略的选择
• 5.2.2 MATLAB 优化程序流程图
• 5.2.3 优化结果
• 5.3 仿真分析
• 5.3.1 原始模型的仿真分析
• 5.3.2 优化模型的仿真分析
• 5.3.3 仿真分析结果比较
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 今后研究工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的学术论文