轻型农用自卸车液压举升机构优化设计

大连理工大学硕士学位论文轻型农用自卸车液压举升机构优化设计姓名：韩术亭申请学位级别：硕士专业：动力工程指导教师：刘卫国;费能志20030901轻型农用自卸车液压举升机构优化设计摘要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办不断提出新的要求。在这样的市场背景下，企业品种的更新换代速度必须提高爿’能跟上行业发展的步伐，才能获得企业发展所需的利润。工程自卸车在设计阶段很大的一部分‘丌发时间被液压举升机构的选择与布置所占用，在这部分时间内设计人员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。为了减短工程自卸车在开发阶段所占用的时间，必须寻找一种新的方法和工具来代替液压缸选择与布鼍时的重复性劳动，将设计人员从这种重复性劳动中解放出来。本课题针对实际工作中的轻型农用胄卸车１６０ＴＳＣ（ＺＭ）的液压举升机构进行优化设计，通过本课题的研究为我厂工程自卸车液压举升机构的设计提供一种切实可行的方法。本课题应用优化的理论与方法借助计算机编程语。言（ＶｉｓｕａｌＣ＋＋）来模拟液压举升机构的运动过程。让计算机来完成复杂的优化过程，输入变量得出满足要求的举升机构铰接点坐标值。这种方法在开发过程中的应用对开发效率和质量的提高具有重要的意义。关键词：自卸汽车：举升机构；铰支点：初始位置：优化计算计算机编程ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ１ｉｆｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉＳｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｄｕｍｐｔｒｕｃｋ．Ｗｅｈｏｐｅｔｈａｔｗｅｃｏｕｌｄｄｅｖｅｌｏｐａｎｅｗｔｉｐｐｅｒｉｎａｓｈｏｒｔｔｉｍｅ，ｂｕｔｔｈｅｗｏｒｋｈｏｗｔｏｆｉｎｄｔｈｅａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｆｕｌｃｒｕｍｏｆｔｈｅ１ｉｆｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｃｏｎｓｕｍｅｓｍｕｃｈｔｉｍｅ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｌｉｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓ：ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ，ｖｅｒｉｆｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｉＳｒｅｃｕｒｒｅｎｃｅ．ＴｈｅｍｅａｎｓｔｏｆｉｎｄｉｎｉｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｆｕｌｃｒｕｍｉｓｖｅｒｙｌｏｗＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｄｕｍｐｔｒｕｃｋ，ＬｉｆｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍＡｒｔｉＣＵＩａｔｅｄｆｕＩｃｒｕｍ，ＩｎｌｔｉａＩｐｏｓｉｉｉＯｎ．ＯｐｔｉｍｕｍｃａＩＯＵＩａｔｉｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｍｅ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计１绪论１．１课题的提出自卸车是利用发动机动力驱动液压举升机构，将车厢倾斜～定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的专用汽车。按不同的用途自卸车可分为两大类：一类是非公路运输用的重型和超重型（额定装载质量在２０ｔ以上）自卸汽车。这种自卸汽车主要应用于大型矿山、水利工地等场所，运输的货物通常是由与其配套的挖掘机械来完成装载的。这类汽车也称为矿用自卸汽车。这类自卸车辆在长度、宽度、高度以及轴荷等方面不受公路法规的限制，但同时它也只能在矿山、工地上使用，而不得用于公路运输。另一类是公路运输用的轻、中、重型（装载质量在２、２０ｔ）普通自卸汽车。这种自卸车主要承担着泥土、砂石、煤炭等松散货物的运输工作，它通常也是与装载机械配套使用的。普通自卸车辆有多种分类方法，按运输货物倾卸方向分为：后倾式、侧倾式、三面倾式和底卸式自卸汽车：按货箱栏板结构分为：栏板～面开启式、栏板三面歼启式和簸箕式（即无后栏板式）汽车：按装载质量分为：轻型自卸汽车（ｒｎｅ＜３．５ｔ）、中型自卸汽车（３．５ｔ≤ｍ。＜８ｔ）和重型自卸汽车（ｍ。≥８ｔ）。（参考文献［１５］）轻烈农用自卸车魁随着我国农村经济的不断发展，上世纪８０年代朱发展起来的自卸运输车辆，其装载重量在ｌｔ－４ｔ之间。国家和地方均出台专门的法规对农用车外形、排放、车速等各方面性能进行规范，从而促进了轻型农用向卸年的健康发展。自２００１年１１月ｌＯＨ起，中幽正式成为ｗＴ０成员蚓，吲内市场逐渐丌放。同时，我国亦确立了以扩大内需为主的经济政策，实施砥部大¨。发ｌ帔略，加大对基建项目的投资力度，农林牧渔、采矿、水利、军：［、环保、商业运输、交通、通讯、金融、机场、电力、城市建设和石油州：采等行业均快速发展，使备种类型的专用车需求量大增。在广大城乡的沙场、矿山、工地及般的士木工穰等的运输作业中，轻型农用自卸车以其灵活机动、价格低廉的优点得到了广泛的应用。在轻型农用自卸车的设计当中，液压举升机构的设计一直处于重要的地位。这是因为液压举升机构是轻型农用自卸车的重要工作系统，其设计方案的优劣直接影响着汽车的多个主要性能指标；应用最优化方法进行液压举升机构的设计，可以一次寻求得到最有的设计方案，对提高液压举升机构的设计质量和效率具有重要的意义。１．２课题的实际意义对于液压举升机构考虑到工作环境、工作性质及工作内容等的要求，在设计液压举升机构时应满足的性能有：（１）、较强的免维护性轻型农用自卸车主要应用场所是沙场、矿山、轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｉ硒辱■蘧耍殇所沙尘肆虐，工作环境恶劣，自卸机构的维护条件较差，甚至有时根本谈不上什么维护。因此需要自卸机构在设计时就要考虑到铰支点和油缸的免维护性。（２）、良好的动力性举升机构作为轻型农用自卸车卸料时的动力来源，为保证卸料顺利完成，要求其必须具有良好的动力性能。轻型农用自卸车由于其特定的使用环境和用户群体决定了它经常处于超载状态，这就要求举升机构要具有一定的过载系数。（３）、平稳性要求举升机构在倾卸货物时具有较好的平稳性，不得有较大的动力冲击，降低冲击力对机构各部件的损伤概率，保证机构的使用寿命。（４）、卸料性轻型农用自卸车顾名思义就是省却了人力卸料之苦，通过特定的机构使用液压力自动卸料。因此，自卸车举升机构应达到的卸料目标是：ａ、在较短的时间内使货箱举升一定的角度，即举升机构将货箱举升到最大举升角所需的时间（对此国家规定了时间限值）；ｂ、货箱被举升机构举升到最大转角时，货物应顺利地倾卸完毕（即最大举升角达到货物的安息角）。（５）、紧凑性轻型农用自卸车多数是中小吨位的工程运输车辆，其装载工具多为小型装载机械。为了装载方便，轻型农用自卸车的货箱布置位置一般较低，同时又要考虑到轻型农用自卸车的工作环境，应使其具有较好的通过性（即离地间隙受限），因此，自卸车的举升机构布置空间就受到很大的限制，这就要求机构具有较好的紧凑性，占用较少的空间。（６）、协调性液压举升机构实际上是一种演化的四连杆机构，在外力作用下，各部件能沿自己的铰支点按设计者的意图顺利转动，不得出现传动角小于许用传动角的情况，更不能有死点位置的存在。目前大多数企业一直沿用传统的“类比作图试凑法”进行设计，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。这与当今高科技环境下的相关领域相比，缺少科学性，人的主观经验决定了车辆的性能。由此带来的问题是，车辆性能低下，难以适应市场的需求。同时由于设计手段的落后，设计周期长，产品投放市场迟缓，不能适应市场多交的要求。因此借助计算机技术，运用最优化方法，改善液压举升机构的设计手段和方法，快速、高效、保值、保量完成液压举升机构的设计，适应市场竞争的需求，意义重大，有着重大的社会价值和经济价值。１．３国内外研究概况及发展趋势１．３．１国外研究发展概况随着计算机技术的发展和应用，５０年代发展起来的以线性规划和非线性规划为主要内容的新的数学分支一数学规划被应用于解决工程设计问题，形成了工程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法。特别从６０年代以来，最优化技术发展迅速，而且得到了广泛的应用。在汽车工业发达的欧、美、日等国家，汽车优化设计理论和方法已应用于汽车诸多领域的很多环节，从汽车发动机、底盘、车身等主要总成的优化到整车动力传动系统的匹配，优化设计使他们的汽车工业保持了世界领先地位。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计Ｉ．３．２国内研究发展概况我国在机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其发展速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用零部件设计，还是各种专业机械的设计都有最优化技术应用的成果。张宝生等编著的《汽车优化设计理论与方法》对汽车主要总成和主要参数的优化设计进行了较为系统的介绍。自卸汽车举升机构的优化设计正从研究、探讨走向实际应用阶段。在计划经济向市场经济转换初期，由于汽车领域不象航天等领域受到重视，国内大多数轻型农用自卸车生产企业在举升机构的设计过程中一直沿用着经验类比的方法设，即传统的“类比作图试凑法”，这种传统的设计方法主要是凭借设计者的经验，参照相同或类似的较为成熟的设计方案，辅以必要的分析计算，确定一个初始的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，设计参数的调整．并再一次进行分析及校核计算，如此多次反复，直到获得相对合适的设计方案为止。显然，这种工作方法工作量大、效率低，而且设计出的举升机构往往存在许多不合理的因素，影响轻型农用自卸车举升性能的提高，并严重阻碍着轻型农用自卸车产品的系列化。随着市场经济的深入发展和市场竞争的激烈，一些研究机构、工程车改装厂在举升机构的设计中采用了这种方法，并取得了一定的优化成果。青岛建筑工程学院的刘敏杰等《油缸后推杠杆平衡式举升机构的优化设计》、《油缸后推杠杆平衡式举升机构的设计研究》、《自卸汽车举升机构优化设计约束条件的研究》以初始举升力系数ｋＯ为优化目标，对油缸后推杠杆平衡式举升机构的优化设计进行了研究和讨论。．青岛建筑工程学院田福祥《自卸汽车单缸四杆举升机构优化设计》以建造纵深最小化为设计目标建立举升机构优化设计的数学模型，对某厂生产的自卸汽车举升机构进行优化设计，建造纵深比原设计减少１２％。吉林工业大学秦四成、扬成康、黄海东《自卸汽车Ｙ形举升机构优化设计》以确定举升油缸行程及举升力系数Ｋ作为优化设计的目标函数，进行优化设计使举升力系数和油缸行程较原方案有所改善。秦四成、胡思、黄海东等《８吨自卸汽车新型举升机构优化设计》以初始举升力系数Ｋ０作为优化设计的目标函数，使初始举升力系数具有较小的数值，减小举升油缸的结构尺寸，降低举升机构的制造成本。丹东汽车制造厂高军在《油缸浮动连杆组合式举升机构的优化设计》中，讨论了以油压波动及初始油压为优化目标进行优化设计的思路。铁道部襄樊内燃机车工厂专用汽车厂张冬岩在《举升机构铰支点初始位置的优化计算》中，以油压Ｐ（０）波动值为目标函数进行优化设计。系统油压特性曲线得到了较大改善，变得平滑和较稳定。Ｐｍａｘ较优化前下降了２４％，对液压元件的使用寿命有很好的改善。江苏理工大学潘公宇、镇江节能技术中心张英的《自卸运输车举升机构的优化设计》，以油压波动系数作为优化目标函数对某车型进行优化设计，优化轻型农用自卸车液压举升机构优化设计后硒瓦ｊ唾两雨并且油压曲线与横坐标轴之间围成的面积已显著减少．即在举升过程中，液压缸所作的功减少了，且油压波动系数只有０．１６：起始油压约为最大油压的８０％：最大油压出现在１２．５。。优化后举升力系数Ｋ比原方案也有显著改善，起始Ｋ值及最大举升角时的Ｋ值都较小。凌河汽车研究所梁海林、李青山《后推式举升机构计算机优化设计》以初始位置时油缸静态举升力与动态惯性力之和最小作为举升机构优化设计的目标函数，并介绍了优化的方法。优化设计作为一种新的设计方法具有综合的本质，它能够把过去的设计丌发经验加以总结，寻找出更优的结构。优化技术将越来越得到更为广泛的应用。１．４课题研究的内容１．４．１国内外液压举升机构简述目前在自卸车上广泛采用液压举升机构，根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的举升机构有两种形式：油缸直接推动式和连杆组合式两大类。直推式举升机构（如下图所示）利用液压油缸直接举升货厢倾卸货物。此结构布局简单、结构紧凑、举升效率高。但由于液压油缸工作行程长，故一般要求采用单作用的２级或３级伸缩式套筒油缸。按油缸布置位置不同，宣推式举升机构可分为前置式和后置式（亦称为中置式）两种，如图３一所示。前黄式一般采用单缸，后置式既可采用单缸，也可采用并列双缸。ｂ）、§镕女举＃机构Ｉ后ｉ式图１一ｌ在相同举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时货箱横向刚度大，但油缸活塞的工作行程长；后置式的情况则与前置式的相反。油缸与车厢底板之间通过连杆机构相连接，这种举升机构称为连杆组合式举升机构。在生产实践中连杆组合式举升机构因其具有举升平顺、油缸活塞工作行程短，举升机构布置灵活等优点，得到了广泛的采用，发展出了多种连杆组合式举升机构形式，如油缸前推（后推）连杆放大式、油缸前推（后推）杠杆平衡式、油缸浮动式等。常用的连杆组合式举升机构布置形式有两种：油缸前推式（又称Ｔ式）和油缸后推式（又称Ｄ式），如图卜１所示。表１－１是直推式和各种连杆组合式举升机构的综合比较，表卜２为自卸车各种杆式举升机构性能比较。（参考文献［１５］）４轻型农用白卸车液压举升机构优化设计［）．油缸甫推式连杆举升机构（ｄ），油缸前推式连杆举升机构图１－２Ｎ！直推式杆系倾卸式结构布置简便易于布置比较复杂系统布置较ｑ、较大建造高度较低蝙Ｊ油缸加工工艺性多级缸．加工精度高．工艺性差单级缸．制造简便．工艺性好油压特性较差较好。系统密封性密封环节多．易渗端．密封性差密封环节少．不易渗ｊ｜看密封性好工作寿命磨损大易损坏．工作寿审较短不易损坏．工作寿命较长刳造成本较高较低系统倾卸稳定性较差较好系统耐冲击性。，较好较差１．４．２液压举升机构的性能评价参数自卸车的举升机构由液压缸驱动。其性能的好坏，表现为举升货物的最大举升力和最大举升倾角，以及对液压系统的要求两方面。因此，液压举升机构的性能评价参数有如下几方面：（１）、举升力系数Ｋ举升力系数是评价液压举升机构举升性能的参数，指单位举升重力所需的油缸推力，即：Ｋ＝意式中Ｆ——油缸的有效推力（Ｎ）；ｍ——举升质量（垤）；对于具体型式的举升机构，举升力系数Ｋ与汽车总布置参数和机构的性能特征有关，Ｋ值只能比较同类型举升机构的工作效率。对于相同的举升质量，举升力系数越小，则液压举升力越小，油缸的油压也越小，这样举升机构耗能也较少。因此举升力系数Ｋ值越小越好。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计结构形式性能特征结构示图直堕前置结构紧凑，举井效翠高．工艺筒单，辩推缸后置成本较低．采用单缸时．横向剐度不＿、足．采用多节时伸缩缸时密封性稍差瓦双缸——马勒里举升臂式（油举升力系数小、省力，油压特性好ｐ缸前推连杆组合式）油缸摆角大活塞行程稍大．连加伍德举升臂式（油转轴反力小．举升力系数大．举升臂缸后推连杆组合式）较大活塞行程短．：驸杆油缸前推杠杆组合式举升力小构件受力改善油缸摆ｐ角大．组沁油缸后推杠杆组合式举升力适中，结构紧凑．但布置集中合后部．货箱地板受力大。油缸液动连杆组合式油缸进出油管活动范围大．油管长．｛Ｎ式俯冲式杆系结构极简，造价低，但油缸必须蕊—＿增大容量．（２）、建造纵深从货箱底板下表面至汽车车架上平面的距离称为建造纵深。在货箱外形尺寸确定的情况下，货箱与其所装载质量（按装载沙子达到额定装载质量计算）的复合质心相对于货箱的位置就确定了，货箱高度的改变将影响建造纵深的值。为了装载货物方便，以及法规在整车方面的限制，总是想尽量降低货箱的布置高度，即建造纵深越小越好。（３）、最大举升角口。。最大举升角是指液压举升机构能使货箱倾翻的最大角度。一般的松散物在水平面上堆积成圆锥体，锥体角称为松散物的安息角。安息角也称休止角、堆积角，一般为３５。一５５。。将松散物置于光滑的平板上，使此平板倾斜到松散物开始滑动时的角度，为松散物滑动角，一般为３０。～４００。松散物安息角和滑动角是评价松散物流动特性的一个重要指标。它们与松散物的粒径、含水率、尘粒形状、尘粒表面光滑程度、松散物粘附性等因素有关。因此设计的货箱最大举升角口。。必须大于货物的安息角，这样才可保证将货箱内的货物倾斜干净。表ｌ一３列出了常见货物的安息角。（参考文献【１５】）（４）、油缸最大行程轻型农用自卸车液压举升机构优化设计—丽瓦西丽覆禹甄滔西孺沃蓼霸厨１丽甄面孺沃丽它既是油缸的结构参数，又是举升机构的性能参数。液压油缸的最大行程小，则举升机构的结构较紧凑、机构的布置较方便。表１—３常见货物的安息角物料名称煤焦炭Ｉ铁矿石铜矿细砂№砂石灰石粘土ｌ水泥安息角２７叫５ａ５０。１４０—４５ｃ３５。一４５ｃ３０ａ一３５１５０。Ｈ０。一４５ｃ５０。Ｈ０—５０ａ（５）、起始油压起始油压是指机构在开始举升时机构所要求的油缸工作压力。在货箱举升过程中，货箱举升质量的力矩不断减小；而且在货箱举升初始时，液压举升机构各铰支点的静摩擦阻力矩和惯性阻力矩最大。因此应使举升机构举升初始时的油缸工作压力低于油缸最大工作压力，即：Ｐｏ≤０．８５ｐ。。。（参考文献［１５】）式中ｐｏ——初始举升时的油缸工作压力（ＭＰａ）ｐ。。。——举升过程中液压系统的最大工作压力（ＭＰ。）。（６）、油压特性曲线在举升过程中，油缸工作压力ｐ是举升角。的函数，即ｐ＝ｐ（８）。理想的油压特性曲线应是油压波动不很大，且Ｐｍａｘ应出现在０＜１５。的范围内，ｐｍｉ。应出现在３０。埘。。阶段。理想的ｐ印（口）曲线如图１－３所示。蹦蔼捌撄镕ｇ行程一卜３４≈岫脒＊∞＆（７）、举升机构的耗能量举升机构要将货物倾卸到位就必定要消耗一定的能量，这些能量的消耗影响着整车的使用经济性，但这只是占其能量消耗的－－＋部分，因此能耗量是评价举升机构性能好坏的一个次要参数。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计１．４．３课题研究的内容由于轻型农用自卸车是依靠小型装载机械或者人工装载，要求货箱地板尽量低，而道路及法规对车辆的最小离地间隙又有明确的要求（≥１８０ｒａｍ），这就给液压举升机构的布置提出了更高的要求。我们对举升机构的期望是：较小的举升力系数、紧凑的结构、平稳的油压脉动、合理的铰节点布局、较低的布置重心等。如果要对以上各方面进行综合的评价，单纯依靠建立单目标函数是无法做到的，必须建立多目标数学函数模型。本文针对我厂１６０ＴＳＣ（ＺＭ）轻型农用自卸车开发开发过程中遇到的实际问题，建立举升机构的多目标函数模型（－－－个目标函数分别是：最小的举升力系数、最小的建造纵深和最小的油压波动系数。），运用多目标函数的求解方法，借助计算机编程对其进行优化，选择出“最优”的举升机构设计方案。量型壅旦鱼塑主鎏里堂茎垫塑垡垡堡生２最优化理论简述人们在做一切工作时，总希望所选用的方案是在一切可能的方案中是最好的，这就是一个最优化的问题。最优化技术就是研究和解决最优化问题的～门学科。它研究和解决如何在一切可能的方案中寻找出最优的一种方案。也就是说，最优化技术研究解决两大类问题：如何将现实中的问题转化为数学模型；选用何种方法尽快地求出数学模型的最优解。对于一个优化问题首先要做的工作是把这一问题用数学形式表达出来，也就是将其转化为数学模型。一个最优化问题的数学模型有三要素：设计变量、设计约束和目标函数，只有三要素齐备才能准确的描述数学模型。２．１设计变量机械设计的方案常用一组参数来表示，这些参数有些是已知的，有些则需要在设计中优选确定。设计变量就是在设计中可以独立变化并可控制的参数，因设计的对象、内容不同，表示设计变量的参数也不同。每个参数的选择有多种理由，或因其从理论角度就控制着整个设计过程，或因设计人员凭经验知道该参数的选取会产生好的结果。在各类不同的设计问题中，反映设计变量的参数按其属性一般来讲可分为：（１）反映材料的机械性能和物理性能的参数；（２）反映构形或几何布局的参数；（３）反映断面或构件的几何尺寸的参数。２．２约束条件在优化设计过程中，设计变量不断改变其取值，以期达到预期的目标，但设计变量的取值及取值范围等总要受到一系列的限制，这些限制条件被称为设计约束，设计约束就是反映设计方案中应满足的设计规范和标准所规定的条件或其他条件等限制。约束条件分为等式约束和不等式约束。等式约束ｈ。（Ｘ）＝Ｏ（ｉ＝１，２，３，…。ｍ）不等式约束ｇｊ（Ｘ）≥（或≤）０（ｊ＝Ｉ，２，３，…，ｍ）设计约束一般还可分为两大类；边界约束和性能约束。所谓边界约束是指考虑到设计变量的许可变化范围面给定的一种界限条件。而所谓的性能约束是指由机械工作性能所提出的一些限制条件。一般来说，在设计寻优的过程中，约束条件越多计算也就越复杂，对寻优收敛精度盼要求就越高，此时约束问题越难求解。选取约束条件时，应避免重复的约束、矛盾的约束和约性相关的约束。介绍了设计约束，就不得不介绍可行域的概念。由于引入了设计约束，设计点ｘ在ｎ维设计空间Ｒ“内就被分为两部分。一部分是满足设计约束条件的９轻型农用自卸车液压举升机构优化设计磊丽面丽僳葡订霸百瓢琢丽甭磊眍丽百莉丽葡再部分是不满足设计约柬条件的设计点组成的区域，称之为非可行域。（参考文献［２１］）２，３目标函数最优化设计是要在多种因素下寻求使人最满意、最适宜的一组参数。这里的“最满意”和“最适宜”都是针对某一具体问题体现出来的人们所追求的某一特定目标而言的。根据特定问题所追求的目标，用设计变量的数学函数关系式来表达它，这就是优化设计的目标函数，亦称为评价函数。对于有ｔ１个设计变量的最优化问题，其目标函数可写作：Ｆ（ｘ）．Ｆ（ｘｌ，Ｘ２，Ｘ３，．．．Ｘｎ）目标函数的值是评价设计方案优劣的标准。在一般情况下，我们是追求目标函数的最小值，即目标函数的值越小，设计方案越好。但是对于某些设计问题我们追求的是目标函数的值越大越好（比如追求效率最高），这是也可将追求目标函数Ｆ（ｘ）的最大值转化为求－Ｆ（Ｘ）最小值。所以说目标函数的优化过程是求目标函数最小值的过程。在实际的优化问题中，对于有些问题我们追求单～的目标，即以单一的目标函数来评价设计方案的好坏，则称这样的优化问题为单目标最优化问题。目标函数表达式可表达为ｍｉｎｆ（Ｘ）Ｘ∈Ｅ“而在另一些优化设计中，却以两个或两个以上的目标函数来评价设计方案的好坏，则称这样的优化问题多目标最优化问题。它的数学模型表达式为Ｆ（Ｘ）＝｛ｆｉ（Ｘ），￡（均，．．．ｆｍ（均）１｛ｍｉｎｆ】（Ｘ）｛ｍａｘｆ２（ｘ）Ｊｍｉｎｆｍ（ｘ）一般来说，寻优目标函数越多对设计的评价越周全，但是其计算量也就越大。在多目标的优化过程中，同时要几个分目标同时达到最优一般来说是很困难的。它往往由～个分目标的最优化而导致其他一个或多个目标的劣化，也就是说这时多目标问题的求解过程是一个矛盾的过程，有时甚至是完全对立的。因此在多目标问题的最优化过程中，往往需要在各目标之间进行协调后才可求解。这种问题的求解可分为两大类：一类是将多目标问题转化为一个主要单且标或有前后顺序下的～系列单目标寻优来求解：另一类是利用设计者的工作经１０轻型农用自卸车液压举升机构优化设计验或者偏好的信息在多目标问题的非劣解中，选择一个结果作为多目标问题的最优解。对于有约束单目标函数常用的寻优方法有：拉格朗日乘子法、外点罚函数法、内点罚函数法、复合形法、网络法和分层网络法等。对于多目标函数常用的寻优方法有：分层序列法、宽容序列法、主要目标法、评价函数法等。（参考文献［１７】）堑型查旦皂塑兰婆堡茎茎垫塑垡些堡盐一一３１６０ＴＳＣ（ｚＭ）轻型农用自卸车整车的参数和举升机构方案３．１整车主要尺寸和质量参数的确定１６０ＴＳＣ（ＺＭ）是我厂前期开发的具有代表性的一个车型，属于轻型农用自卸车的范畴，根据车辆的使用环境、用户使用现状、同类车型的现状以及有关的法律法规，依据市场调查报告和设计任务书的要求进行总体布置。１确定的整车主要尺寸参数如下：整车外形尺寸（长×宽×高）（响）４９９０×１７００×２２００轴距：Ｌ＝２８００蕊轮距（前／后）：Ｌｎ＝１４２５衄、ＬＲｔ＝１４０５唧前悬：Ｌ．＝１０２７咖后悬：ＬＲ＿１１６３岫接近角：Ｙ－＝２４。离去角：Ｙ２—３４０车厢内部尺寸（长×宽×高）：２８００×１６００×４００车厢后栏板高度：６００哪车厢后栏板转动铰接点坐标：（一３３０，８３０）板簧压平状态后轮中心坐标：（７３５，２６０）驾驶室与车厢距离：Ｃ＝Ｉ１３衄驾驶室后围至前轮中心线：Ｌ＋＝９１３咖最小离地间隙：Ｌ，＝２１７衄最小转弯直径（ｍ）１１．９３转向轮转角（。）（外／内）２８／３７最大爬坡度（％）２５２确定质量参数如下整备整备质量（ｋｇ）２８９０前轴荷（ｋｇ）１２６０，占４３．６％质量后轴荷（ｋｇ）１６３０，占５６．４％标定装载质量（ｋｇ）１０００（含２人）标定标定总质量（ｋｇ）３８９０状态前轴荷（ｋｇ）１３９０，占３５．７％后轴荷（ｋｇ）２５００，占６４．３％３新车型的主要零部件、总成的布置情况为：（１）、整车的车架总成外宽为：７６０衄、内宽为：６５０咖。（２）、纵梁借用原车型的纵梁，结构尺寸不做改动，这有利于零部件总成的系列化，纵梁为槽钢，其宽度为：５５咖、高度为：１９５姗、厚度为：５．０轻型农用自卸车液压举升机构优化设计６５ＩＩＨｌｌ、至纵梁后端面１０４咖。具体详细的布置情况见附图：图纸ｌ（总布置图）、图纸２（车架总成图），其中的零部件、总成借用诸城汽车厂的现有资源。（４）后轮中心线前部除车厢外各零部件总成的总质量及其质心横坐标分别为：１９５０ｋｇ、２５００姗，后轮中心线后部除车厢外各零部件总成的总质量及其质心横坐标分别为：３５０ｋｇ、４２０蚴。图３一ｌ３．２举升机构方案的选择现在的液压举升机构有多种型式，各种举升机构的结构型式在１．４节已经做过介绍，每种型式的性能各有千秋，究竟采用那种型式的举升机构，这还要因车而异，合理选用，选用的原则是；１．首先必须充分考虑车辆的使用条件和环境２．考虑制造工艺３．兼顾成本轻型农用自卸车工作条件差，经常在无路的环境中工作，尘土多，维修条件差，用户经常严重超载。对价格方面的要求是造价低，性价比要高。对照１．４节表卜ｌ可知连杆组合式举升机构具有寿命长、密封好、不易泄漏、制造简便、工艺好、成本低的优势，最适合本车型。但由于轻型农用自卸车要求离地间隙大（≥１８０），建造纵深小。而连杆组合式举升机构具有系统布置较大、建造纵深较高的劣势。因此选择该种举升机构必须解决这一矛盾，这也是用最优化方法进行设计的原因之一。连杆组合式举升机构中的油缸前推式举升机构、油缸浮动式举升机构和丝型查旦宴塑圭堕墨茎茎垫笪垡垡堡生油缸后推式举升机构各自的优缺点在表卜２中已作过介绍。究竞选用何种自卸举升机构需要从装载质量、油缸行程、机械效率、管路的布置以及经济效益等多方面综合考虑，以使所选用的举升机构能够最大限度地提高自卸车的工作性能。对于我们的研究对象——轻型农用自卸车所考虑的主要方面是它的装载质量、超载性能、举升机构的布置空间及其在使用中的经济性能，即小的装载质量、大的超载系数和良好的经济性能。另外考虑到其轴距较小（设计要求轴距为２８００㈣），变速器至后桥之间的距离较小（之间的距离为１２４０１Ｉｍｌ），而且没有副车架（后桥与车厢之间的空间较小），这决定了油缸后推式举升机构不适于我们选定的车型。因此，在选定的车型上只能采用油缸前推式举升机构。３．３液压系统的参数及传统设计的求解结果连杆组合式举升机构从其设计原理上讲属于一种演化了的四连杆机构。机构的组成部分有：车厢、车架、拉杆、三角臂和液压油缸，设计涉及到６个铰支点，如图３—２所示，对这６个支点的设计目标就是使其处于最佳位鼹，以此使系统具有良好的油压特性曲线。良好的油压特性曲线除保证设计所限定的参数外，可避免工作期间的液压冲击，保护液压元件，改善机构各部件的受力状况，给部件以合理的强度储备。１确定举升机构各铰接点最佳位置之前，必须确定（预选）自卸系统的性能、和尺寸参数。（１）车厢的最大举升角一般货物都有一定的安息角，各种货物的安息角取值如表卜３所示。在整车的设计时要求最大举升角必须大于装载货物的安息角。最大举升角取的越大卸货越可靠，但连杆式举升机构的行程放大系数也就越大，在液压油缸伸长量不变的情况下，势必将增大举升三角臂的尺寸，使举升机构的布置空间更加紧张，这将无益于建造纵深的降低。在对市场和用户进行调查研究的基础上，该车型的车厢的最大举升角为：ｏ。＝５０。（２）确定车厢与车架铰接点０的位置在保证车厢举升至最大举升角时不与纵梁干涉，同时保证车厢后栏板距地面高度符合要求前提下，可初步确定出车厢与车架铰接点０的位置。（３）根据我厂及配套厂家的现有资源，初选油缸参数。安装距Ｌｏ＝７３５帆，油缸工作行程Ｌ＝４２０ｍ，直径ｑ）＝１２５衄，系统压力１６ＭＰａ。１４轻型农用自卸车液压举升机构优化设计工程车自卸机构示意囤图３－２２为使后面的优化结果与传统的作图法的结果有一个对比，同时建立后续举升机构优化设计的平台，使后续的举升机构运动分析和动力分析在此基础上进行，进而在此基础上寻找最优的铰接点位置。现将１６０ＴＳＣ（ｚＭ）举升机构用作图法求解的过程和结果作简要介绍。作图法的具体步骤为：（１）、建立坐标系。将车厢与车架的铰支点０作为平面直角坐标系的原点：ｘ轴平行于车架上平面，以指向车辆的前方为正方向；Ｙ轴通过０点，以指向上方为正方向。所建坐标系如图３－３所示。（２）、确定举升机构与车厢铰支点Ｃ的坐标Ｘｃ，Ｙ。。Ｘｃ可按经验公式Ｘ。＝ＲＬ／０。计算，其中Ｒ＝１６５～１９０咖，当Ｌ较大时，Ｒ取较高值；反之则取较小值。油缸与车架横梁铰接点Ｅ的坐标ｘ。可由经验公式：ＸＥ＝Ｘｃ－０．５Ｌｏ一０．２Ｌ＋４００确定，而ｙＥ由结构允许的最小值确定。（３）、过Ｃ点作ＣＢ线，使该线与ｘ轴的夹角ａ＝（９ｙｏ／Ｙ。）。。Ｙ。为结构允许的拉秆ＡＤ与车架铰支点Ｄ的最高位置，一般ＹＤ＞Ｏ。再以Ｅ点为圆心、Ｌ。为半径画弧交ｃＢ线于Ｂ点。连接Ｅ、Ｂ两点，髓即为油缸中心线在举升角ｅ：Ｏ。时的位置。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｙ图３－３（４）、连接ｏＣ，并将０ｃ绕０点顺时针向上旋转ｏ。。角，Ｃ点移动到Ｃ７点，再以Ｃ７点为圆心，线段ＣＢ为半径画圆弧，以Ｅ为圆心，（Ｌ。＋Ｌ）为半径画圆弧，两圆弧交于Ｂ’点，Ｂ７点即为货箱举升ｏ。。时三角架与油缸铰接点的位置，连接ＥＢ７、Ｃ７Ｂ’。（５）、作ＺＥＢ’Ａ７＝Ｂ，Ｂ＝６。～８。。以Ｂ为顶点，ＢＡ为一边，作ＺＣＢＡ＝么ｃ７Ｂ’Ａ’，取Ｂ’Ａ７＝ＢＡ＝２００～２５０ｍｍ，连接ＡＣ、Ａ’Ｃ７，则△ＡＢＣ和△Ａ７Ｂ７ｃ’分别为货箱举升角ｏ＝０。和ｏ＝ｏ。。时三角架的位置。（６）、作线段ＡＡ７的的垂直平分线与ｙ－－ｙ。的水平线交于Ｄ点，Ｄ点即为拉杆与车架的铰接点，连接ＤＡ、ＤＡ’，ＤＡ、ＤＡ’分别为货箱举升角ｏ＝Ｏ。和ｏ＝ｏ。。时拉杆的位置。（７）、用作图法除了确定ｏ－－０。和ｏ＝ｅ。：时时各铰支点的位置外，还应对不同举升角ｅ作运动校核，若出现Ｂ点至货箱地板的距离小于Ｃ点至货箱地板的距离（以防三角架与货箱出现第二个接触点，造成干涉）时，则应加大步骤３中所设的ａ值，然后重复步骤（３）～（７）。通过作图法并参考以前的布置经验，最终确定的举升机构各铰接点在８＝０。时的位置坐标为：０点（０，０）、Ｄ点（１２５６，ｉ１２）、Ｅ点（１３６０，１０）、ｃ点（１４８５，１８０）、Ａ点（２１２１，一７１）、Ｂ点（２１００，１２８），考虑到转轴直径及安装尺寸，ｃ点到车厢底面的距离初定为７５衄。最终初步确定的液压举升机构布置型式见图纸３（两维布置图）和图纸４（三维布置图）。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计１７轻型农用自卸车液压举升机构优化设计４液压举升机构运动学分析图４－１车厢在任意位置示意图图４－１为Ｔ式举升机构在任意举升角位置时的机构简图，为使图面清晰，未将液压缸的实形画出，而以线段ＡＤ代表伸缩液压缸，其中缸体与活塞杆组成移动副，整个机构的自由度为１。虚线为车厢处于水平位置时整个举升机构的构形。车厢与车架、举升三角臂的铰接点为：０、ｃ：拉杆与车架、举升三角臂的铰接点为：Ｄ、Ａ；液压油缸与车架、举升三角臂的铰接点为：Ｅ、Ｂ；Ｇ点为车厢与举升质量的质心点，为便于分析计算和在设计中侧重于安全，假设举升过程中举升质量的质心相对于车厢的位置不变，即ｏＧ长度不变。这样在整个举升过程中举升重量不变，求得的举升力系数具有较好的可比性。以车厢与车架的铰接点为坐标原点建立如图４—１所示的左手坐标系，ｘ轴的正向指向车辆的前方，Ｙ轴的正向指向上方。Ａｏ、Ｂ。、ｃ。、Ｄ、Ｅ、岛为构件铰接点在车厢举升角ｏ＝０。时的位置，此时各点坐标为Ａ（Ｘ。，Ｙ．。）、Ｂ（ｘ蛐，Ｙ。）、Ｃ（Ｘｃｏ，ｙｃｏ）、Ｄ（ｘＤ０，ｙ∞）、Ｅ（Ｘ∞，ｙＥ０）、Ｇ（ＸＧｏ，ｙｃｏ）：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｇ为构件铰接点在车厢举升角ｅ＝ＣＩ时的位置。各铰接点的位置坐标设定为：Ａ（Ｘｎ，ｙ＾）、Ｂ（ｘＢ，ＹＢ）、Ｃ（ｘ。，ｙｃ）、Ｄ（ｘⅡ，ＹＤ）、Ｅ（ｘＥ，ｙＥ）、Ｇ（Ｘ６，Ｙｔ，），其中Ｄ、Ｅ两点在运动过程中为固定点，故Ｘ。＝ｘ。，ｙ。＝ｙ。。４．１举升机构的位置分析（１）、两点间的距离计算公式为：Ｌ弋厅再—万可弋孬—≯堑型壅旦旦塑主堕堡堂茎墼塑垡垡堡丛拉杆ＡＤ的长度：ＬＡＤ弋几元二＿瓦≯■可ｉ－孑——（式４—１）举升三角臂的三边长度：ＡＣ边的长度：ｋ弋八五＝＿元弘Ｆ匹＝＝二ｉ了——（式４—２）ＡＢ边的长度：Ｌ。。气厅ｉ二＿元Ｐ＿匹；—ｊ≯——（式４—３）ＢＣ边的长度：Ｌ。。曩厅石二－元ＦＦ石；—哥——（式４－４）举升过程中液压油缸的总长度（Ｌ。。）：ＬＢＥ＝、／（ｙＢ＿ｙＢ）２＋（Ｘａ＇－ｘＥ）２——（式４－５）举升机构运动过程中，液压油缸的伸长量（Ｓ）：ｓ＝ＬⅡ一７３５：（２）、车厢转角为最大转角内的任意值０时，ｃ、Ｇ两点的坐标：Ｃ点坐标（ｘ。，Ｙｃ）由下式求得：Ｘｃ＝ＸｃｏＣＯＳ０－ｙｃｏｓｉｎＯ——（式４．６）ｙｃ＝ｘ∞ｓｉｎ０＋ｙ∞ＣＯＳ０——（式４－７）质心Ｇ点的坐标（Ｘ。，Ｙ。）由下式求得：ｘＧ＝ｘ∞ＣＯＳ０一Ｙｃｏｓｉｎ０——（式４—８）ｙＧ＝ｘ∞ｓｉｎｏ＋ｙＧｏＣＯＳｏ——（式４－９）（３）、举升角为ｅ时，Ａ点的坐标：解方程组：（ＸＡ—ｘ曲２＋（ｙＡ—ｙ曲２＝ＬＡＤ２（ＸＡ—ｘｃ）２＋（ｙＡ—ｙｃ）２＝Ｌｎｃ２即可求出Ａ点的坐标ＮＡ、ｙＡ；（４）、举升角为９时，Ｂ点的坐标：解方程组：（ＸＡ－－ＸＢ）２＋（ｙＡ—ｙＢ）２＝ＬＡＢ２（ｘＢ－ｘｃ）‘＋（ｙＢ—ｙｃｒ２ＬＢｃ‘即可求出Ｂ点的坐标ｘＢ、ｙＢ；（５）、直线ＡＤ和ＢＥ的解析方程表达式分别为——（式４－ｌＯ）——（式４．１１）娑＝蚍一一（式４．１２）Ｘ’ＸＡＸＤ—ＸＡ’’。一直线舢Ｄ的斜率：ｋ３＝意葺竺娑＝业——（式４－１３）Ｘ—ＸＢＸＥ—ＸＢ…１９轻型农用自卸车液压举升机构优化设计直线ＢＥ的斜率：ｋ＝裴意五Ｆ。五Ｒ对于上述两方程，联立即可求解出ＡＤ、ＢＥ两直线的交点Ｐ的坐标值（ｘｐ，ｙＰ）；（６）、求Ｏ点到直线ＰＣ的距离（ＬＩ）：——（式４－１４）（７）、Ａ点到直线ＢＥ和ＰＣ的距离：Ｌ２＝一ＩＸＡ（ｙＥ－ｙＢ）＋ｙ，Ａ仄（Ｘ：＝二Ｂ－ｉＸ８孓）＋玎Ｘ＝Ｂ（ｙ二Ｅ－算ｙＢ）－ｙＢ（ＸＥ－Ｘａ）Ｉ一——（式４．１５）～【ｙＢ。ｙＥ）‘＋（ｘＢ—ｘＥ）‘…。…Ｌ３＿且逝型罐兰莹警等出趔～（式‰）Ｖ（ｙＰ—ｙｃ）‘＋（ｘＰ—ｘｃ）‘……’（８）、对于质心Ｇ点，车厢放平状态时，角ｎ的值为：¨ａｒｃｔａｎｙｘａＧｏ。——（５瓮４－１７）例如：以初布置数据代入得：Ｑ２ａｒｃｔａｎ音赫＝２５．６１８。；０点到质心Ｇ作用力方向的距离：Ｌ。＝诉而ｃｏｓ（ａ＋０）——（式４—１８）（９）、Ｃ点直线ＢＥ的距离：Ｌ４＝且睦訾器等筹骘Ｐ监址一（式４＿１９）ＹＹ√（Ｂ—Ｅ）２＋（ｘＢ—ｘＥ）２、“’”７Ｃ点直线ＡＤ的距离：ｋ—Ｉｘｃ（ｙＤ－＾）＋，ｙｃ厩（ｘ＾ｉ－ｘ矛Ｄ）ｉ＋ｙ＾ｉ（ｘＤ－景ｘ＾ｒ）－—ｘ＾（—ｙＤ－一ｙ＾）Ｉ一（式４—２０）ＹＹ√（＾一。）、（ｘ＾＿ｘⅡ）２、Ｈ’“’（１０）、车厢在任意举升角时ＬＯＣＰ大小的确定：如图４－ｌ所示，ＬＸＯＣ。＝ａｒｃｔａｎ迎，ＬＸＯＰ：ａｒｃｔａｎ－ＹＰ则：ＬＰＯＣ。＝ＬＸＯＰ－－ＬＸＯＣ。＝ａｒｃｔａｎ生一ａｒｃｔａｎ—堕：轻型农用自卸车液压举升机构优化设计因此，么ＰＯＣ＝０一么ＰＯＣｏ＝０＋ａｒｃｔａｎ迎一ａｒｃｔａｎ翌轴＾９线段ＰＣ的长度：Ｌ，。＝√（ｙ，一ｙ。）２＋（ｘ，一ｘｃ）２，线段ＯＰ的长度：ｋ，刮ｙｒ２十ｘｒ２，由正弦定理得：ＬＰｃＬＯＰＳｉｉｑ【么ＰＯＣＳｉｎ么ＰＣＯ因此可求得么ＰＣＯ的值为：么ＰｃＯ：ａｒｃｓｉｎ—Ｌｏｐ—Ｘ—ｓ彳ｉｎ—Ｚ—ＰＯＣＬｐｃ４．２举升机构的位移、速度、加速度图４—２为以车厢与车架铰接点为原点建立的ｘＯｉ，复平面直角坐标系，各向量方向的设定如图所示。各铰接点角位移的度量是以ｘ正向为基准，顺时针方向为正。（１）分别确定油缸ＢＥ、拉杆ＡＤ、举升三角臂ＡＢＣ的角位移ｏ、、ｅ：、０。（即角位移模型的建立）：在四边形ＤＯＣＡ中，厶∥％＝，６—８一＋‘Ｐ‘。‘＋，３口¨３——（式４－２２）在四边形ＥＯＣＢ中，ｌ，ｅｎ＝ｌｓｅ＾＋ｆ∥“＋１３一。３。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计移图４—２根据机构的运动规律和５．１的位置分析，可推导出构件在任意时刻的角位ｒ。１２１ｔ。．一渤拦Ｃ一℃一（ＸＡ＝ｘＤ）——（式４－２６）（ｘ一≠ｘｃ）——（式４—２９）在实际机构中，ｅ・、。ｚ、ｏ。位移值为专情况是禁止出现的情况；（２）角速度模型的建立：约定ｍ，＝ＣＯＳ（ｅ３一ｏ２），ｍ２＝ｓｉｎ（ｏ３一ｅ２），ｍ３－－－－－ＣＯＳ（ｏ４一ｅ２），ｆ【１４＝轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｓｉｎ（ｅ。一０２），ｍ６－－－－＝ＣＯＳ（０３０－ｅＩ），ｆｌｌ６＝ｓｉｎ（ｏ∞一０．），ｍ７－－ＣＯＳ（０４－－ｅ。），ｍｓ＝－ｓｉｎ（０４—０１）。将（式４－２３）、（式４－２４）方程两边分别对时间ｔ求导，并将求导后的方程组整理求解得：叱２１五面ｉ面∞４１｛帆％５～百ｌ∞６０３ｍ５＋ｌ４（Ｉ）４ｍ７叭２———Ｆ一１３（＾）血ｌ＋１４ｕｍ吣２——１－——（式４－３０）——（式４－３１）——（式４－３３）其中，ｌｔ＝ｌ－６ｓ（１为液压油缸的初始长度，Ｓ为液压油缸在举升过程中的伸长量），ｖ＝五ｄｓ油缸在举升过程中的伸长速度，设其为匀速。（３）角加速度模型的建立：角加速度为角位移的二阶导数，将（式４－２３）、（式４－２４）方程两边分别对时间ｔ求二阶导数，将求导后的方程组整理求解得：Ｌｍ２（１ｌ∞１２一ｌ３０∞３２ＩＩｌ５一１４‘Ｉ）４２ｍ７）幽一ｌ山ｍ灿一ｌ五而－．１蛐ＩＩｌ６（１．｝６０３２ｍｌ＋ｌ４（Ｉ）４２ｍ３一ｌ２∞２２）ｊ３１４ｍ２ＩＩｌ８一ｉ３０ｉ椰棚６ａ，＝坦丝丛气≯继——（式４－３５）ｌ３ＩＩｌ２”…７ａ，：＝生！！塑！二！塑竺！知！±１４ａ４ｒｏＴ－－１４（Ｉ）４２ｍ８－－２ｖｕ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｌ３ａ椰Ｌ一１３（－）３２ｍ２＋１４ａ４盯ｂ一１４∞４２啦钆２—————１■——一（式４—３７）轻型农用自卸车液压举升机构优化设计５液压举升机构静力学分析液压举升机构是一种演化的四连杆机构，整个机构除去初始与停止两位置在运动过程中为近似匀速运动，将其视为低速匀速运动，符合杆组的静定条件，可将各构件作为独立的示力体进行受力分析。现将机构各构件编号进行受力分析，编号如图５—１所示：一鏊蕊一◆图５－１举升机构各构件编号示意图其中，构件１为车架，构件２为拉杆，构件３为液压油缸。构件４为举升三角臂，构件５为车厢；接点０、Ｄ、Ｅ都连接在车架１上。对于举升三角臂、拉杆和油缸等构件，由于他们的质量与举升质量相比不及其的百分之一，故可忽略不计。因此油缸ＢＥ和拉杆ＡＤ可简化为一个二力杆，两端受力大小相等，方向沿杆件的轴线相反。约定：如构件４对构件５的作用力表示为Ｆ４；，而构件５对构件４的作用力则表示为Ｆ５４，Ｆ４５、Ｆ５４为作用力与反作用力故Ｆ４；＝一Ｆｓ４。自卸车车厢的举升角为５０。，其举升时间为ｌｌ～２０ｓ，车厢的举升过程近似为匀加速运动，举升转动惯性半径ｉ＜２ｍ。各角接点的润滑良好，摩擦系数小于０．１５，铰接点的轴销直径小于４０咖。因此对于整个举升机构，在举升过程中尤其是举升初期，各构件（包括车厢）自身的惯性力矩和各铰接点的摩擦力矩对整个举升力矩影响极小，因此可将其忽略不计。（Ｉ）、以构件车厢５为示力体，其受力如图５－２所示：车架对铰接点Ｏ作用力的大小与方向未知，表示为：Ｆ，１５、Ｆｘｌ５；假设装载货物与车厢的总重力作用点在举升过程中相对于车厢位置不变，ＦＧ为重力；轻型奎旦皂塑圭望垦堂茎塑塑垡垡堡生——两再ｉ菊菊石丐丽而甭历丙雨ｉ吾面聂ｉ丽两的交点。图５—２车厢受力示意图以构件５作为示力体对Ｏ点取矩有：Ｆ４５×Ｌ１＝Ｆｏ×ｋ由上式可得三角臂在举升过程中对车厢的作用力：Ｆ４５＝半＝一Ｆ５４——（式５－１）其中Ｌ１的长度由（式４－１６）求得，Ｌ６的长度由（式４－２０）求得：（２）、以举升三角臂４作为示力体，其受力如图５－３所示：图５．３举升三角臂受力示意图举升三角臂受到三个力的作用：Ｆ５４、Ｆ３４、Ｆ２４，其中Ｆ３４、Ｆ２４为二力杆ＡＤ、ＢＥ对构件４的作用力，因此这两个力的作用方向可知，而且这三个力组成平面汇交力系，Ｐ点为三力的汇交点。对Ａ点取矩时有：Ｆ５４×Ｌ３＝Ｆ３４×Ｌ２在上式有：Ｆ５４＝－Ｆ４５。Ｆ３４＝．Ｆ４３，带入上式有：一Ｆ４５×Ｌ３＝一Ｆ４３×ｋ即：Ｆ４５×Ｌ３＝Ｆ４３×Ｌ２由上式可得油缸在举升过程中的推力（Ｆ３４）和油缸所受的压力（Ｆ。３）：‘■，Ⅵ¨ｆ盐呱迥一紫ｒ一｛ｌ【滕、ｆ×轻型农用自卸车液压举升机构优化设计Ｆ３４＝Ｆ５４学Ｌ３：．Ｆ４３——（式５－２一）２—３——Ｌ瓦５－）其中Ｌ３的长度由（式４－１８）求得，ｋ的长度由（式４－１７）求得；对Ｃ点取矩时有：Ｆ３４×Ｌ４：Ｆ２４×Ｌ５由上式同理可得拉杆在举升过程中对三角臂的作用力（Ｆ２４）和所受的力（Ｆ４２）：如＝警叫鸵其中Ｌ４的长度由（式４－２１）求得，Ｌ５的长度由（式４－２２）求得；（３）、对于构件２、３为二力杆其受力如图５－４（ａ）（ｂ）所示，力的大小在（２）中已经求得，拉杆所受拉力大，Ｊ、为：舻警。（ａ）图５－４（ｂ）０型蚓轻型农用自卸车液压举升机构优化设计６优化目标函数的建立６．１设计变量分析举升机构各铰接点的初始位置不同，在举升时的举升力将会有较大的差异。对于本课题轻型农用自卸车１６０ＴＳＣ（ＺＭ）选定的Ｔ式举升机构进行优化，优化中以各铰接点的初始位置坐标作为设计变量。如图６—１所示，取机构举升的初始位置作为机构的标定位置。由分析可知要得到一个机构的方案需确定的参数为１０个，即如图所示的拉杆与举升三角臂的铰接点Ａｏ，液压油缸与举升三角臂的铰接点Ｂｏ，车厢与举升三角臂的铰接点Ｃｏ，拉杆与车架的铰接点Ｄｏ，液压油缸与车架的铰接点Ｅ０，共５个铰接点在直角坐标系中的坐标分量。另外，为了在以后程序编制和数学模型的建立中方便，特把车厢与车架的铰接点０和举升质量的质心Ｇ０也作为设计变量看待，只是在运算过程中给它们赋予常量。这样举升机构优化设计的变量总共有１４个。优化设计的变量为Ｘ＝＝ＸＡｏｙＡｏＸＢｏｙＢｏＸｃｏｙｃｏＸＤＯｙＤｏＸＥＯｙＥｏＸＧＯｙｃ，ｏ）【０ｙｏ●２３４５６７８９ｍＵ他”ＭＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｔ（×Ｇｏ，ｏｏ）Ｉｙ６０Ｉ一８０（学劣诫啪。）＼１图６一ｌ优化设计变量示意图６．２目标函数的建立一个好的举升机构设计方案应该具有较小的建造纵深、良好的油压特性和较小的举升力等，单纯以一个方面作为优化设计的目标，无法全面地评价整个举升机构的性能好坏。本课题针对轻型农用自卸车１６０ＴＳＣ（ＺＭ）以建造纵深、油压波动系数和初始举升力系数作为优化的分目标，综合优化各目标函数。（１）、初始举升力系数是指单位举升重量所需要的油缸初始推力（参考文献［２４］），其数学表达式为：Ｋ＝鲁Ｒ——液压油缸的初始举升力（只。），由（式５—２）求得：ｅ——一举升机构所举的车厢和货物的总重量，Ｇ－－－－ｒａｇ（假设在举升过程中货物相对于车厢的位置不变）。对于相同的举升质量，举升力系数越小，则液压油缸的举升力也越小。举升机构的举升力是随举升角的改变而不断变化的，对于举升机构我们总是希望其具有较小举升力，因此把举升力系数作为多目标优化的～个分目标。以举升力系数作为评价指标，则优化的目标函数可写作：Ｆ删ｎｆｌ（ｘ）＝ｍｉｎ［Ｋ＝云１（２）、以举升力系数Ｋ作为评价指标，存在一定的局限性。如果对某一种形式的举升机构加大油缸的行程，举升力系数Ｋ值（硒或Ｋ一）均会降低。因此引入油压波动系数ｎ作为评价举升机构优劣的另一个参数，弥补单纯以举升力系数作为评价参数的不足。。：堡－ｉＰ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计式中芦——举升过程中液压系统平均工作压力（ＭＰ。）：ｐｍ戤——举升过程中液压系统的最大工作压力（ＭＰａ）。对于比较理想的举升机构，ａ应小于０．２。在整个举升过程中，系统的工作压力是举升角８的函数，理想的油压特性曲线参看图卜３所示。以油压波动系数ａ作为评价指标，则优化的目标函数可写作：一只…一ｍｉｎｆ２仪１＝ｒａｉｎ［ａ＝—当一１］‘。Ｐ（３）、从车厢底板下表面到车架上平面的距离称为建造纵深。在第３章的总布置中车辆的装载质量和车厢的内部尺寸已经确定，因此车厢的重心位置也就确定了，车厢的高度改变将引起建造纵深的改变。对于整车，我们总是希望其具有较低的重心（增加整车的横向稳定性），当除车厢外的其他部件、总成位置确定后，车厢位置的高低将影响整车的重心高度，因此小的建造纵深也就意味着小的整车重心高度。故我们将建造纵深（Ｅ点到Ｃｏ点的铅垂距离）作为极小化的分目标函数，从而达到追求在总布置中车厢的最低安装位置。建造纵深的数学模型为：毛（Ｘ）＝ｙｃｏ—ｙＥｏ则优化的目标函数为：ｍｉｎｆ３ｆＸ）－－－－ｍｉｎ［Ｙｃｏ～ＹＥＯ］；因此，举升机构的优化问题是一个多目标最优化问题，函数的数学模型为Ｉｍｉｌｌｆｌ（Ｘ）ｍｉｎ［Ｆ（Ｘ）］＝．《ＸＥＤ（Ｄ为变量的可行域）。ｍｉｎｆ２（Ｘ）。’一’”４—～。。。’。１６．３机构优化的约束条件（１）边界约束（参考文献［２１］）在对目标函数进行优化过程中，应设定设计变量的上下限值，即将各铰接点的位置进行限定，根据初期的总布置要求及以前设计经验的基础上，确定设计变量的约束条件如下（坐标值是各变量相对于０点坐标的相对值）：ｘ１删ｎ≤Ｘｉ≤Ｘｉｍ丑）ｃ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｘｉ。为变量五的取值下限，＾一为变量ｔ的取值上限具体分别为：２０３０珊≤ｘ１４２５２０姗，一１５０咖≤ｘ２≤６００ｉｎｔｏ２０００咖≤ｘ３≤３９００哪，一２０呲≤）（４≤８００衄，１３００咖≤ｘ５≤３１００咖，９０衄≤ｘ６≤９５０衄，１１００皿≤Ｘ７≤２６５０唧，３０衄≤ｘ８≤７００ｎｕｌｌ１２２０姗≤ｘｑ≤３４００册，一７０衄≤Ｘｌｏ≤６５０咖，Ｘ１１＝１０７５Ｉ衄３９０Ｉｌｆｆｉｌ≤Ｘ１２≤１０００ｍｍ；（２）举升机构的构形约束（参考文献［２１］）举升机构的构形是指机构各铰接点之间的相对位置，其约束条件如下ＸＩ＞Ｘ５，Ｘｌ＞Ｘ７，ＸＩ＞Ｘ９＇Ｘ２＜Ｘ４，Ｘ３＞Ｘ９’ｘ４＞Ｘ１０；（３）液压油缸的尺寸约束（参考文献［２１］）车厢在初始位置时，ＢＯＥ线的长度应大于等于液压油缸的安装尺寸，根据总布置的要求选定不同安装长度的液压油缸。而且油缸的最大伸长量不可超过给定的限值，为了寻得最优的机构设计方案，只是将油缸的安装尺寸和最大伸长量给定一个取值范围，不进行定值限制。根据以前的设计经验和可选的液压油缸尺寸资源，设定油缸的最小安装尺寸为：５００ｎｍｌ，油缸的最大伸长量为：６５０Ｉｉｌｍ：由式４－５可得：ＬＢ。＝、厂鬲孓面ｙｉ瓦习／＞５００而且，液压缸在车厢举升过程中的总长度也应该小于限定的数值，否则将无法达到给定的最大举升角。（４）机构的传动性约束（参考文献［２１］）根据机械运动的原理可知，液压举升机构为低速运动机构，为了保证机构传动良好应使机构的传动角（Ｙ）满足如下条件：Ｙ。ｉ。＞／４０。。考虑到举升机构的举升力矩在举升过程中会随举升角的增大而减小，因此不必要求构件间的传动角在整个过程中都小于许用值，只需对举升初始的传动角进行限制即可。如图６—２所示，Ｙｌ为车厢在任意位置时举升三角臂对车厢的力的传动角。Ｙ１０为初始举升时的传动角，应有Ｙ１０＞／７０。或ＺＯＣＰ＝１８０—Ｙｌｏ＞／７０。。同时，该角（或其补角）又是车厢回落过程中的一级传动角，因此举升终了时应有：ＺＯＣＰ＝１８０—Ｙ１０≥７０。或ｙ１０／＞７０。。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计图６－２传动角示意图油缸在举升初始位置时的姿态夹角为Ｙ２，ｙ２＝ａｒｅｔａｒｌ－苎，为保证机构能够顺利举升，对于ｙ２应限定为：ｖ２／＞２。。（５）自卸车用的液压元件～般为标准件，都有自己的工作压力限值，因此，在机构的优化过程中还应该限定举升机构的最大油压，即限定液压缸的最大推举力，这是为了保证液压系统承压件能够安全可靠地工作。设举升过程中的最大举升力为Ｆ。。，液压系统预先给出的最高工作压力为【Ｐ。，】，则油缸的许用最大推举力为：兀ｄ２［Ｆ。】＿［Ｐ一卜丁ｒｔ（Ｎ）ｎ——液压系统的效率，通常取ｒｌ＝０．８；ｄ——举升液压油缸的活塞直径（ｍ）；其中［Ｐ一］可供选取的系列有：ＩＯＭＰａ、１３．６ＭＰａ、１５．７ＭＰａ、２０．６ＭＰａ，选定油缸的额定工作压力为１６ＭＰａ，最大工作压力为２０．６ＭＰａ。举升液压油缸的活塞直径可供选取的系列有（Ｔ式举升机构使用的是活塞缸）：中１００棚、中１２５Ｉ蝤ｌ、中１６０蕊、巾１７５咖、中１８０柚，选定油缸的活塞直径为：中１２５ｎｌｇｌ：对举升过程中的油缸举升压力约束为：Ｆｍａｘ≤［Ｆ。。］＝２００ｋＮ；（６）复位性约束（参考文献［２１］）农用自卸车的液压油缸大多数为单作用油缸，升程阶段靠油缸推力倾卸货物，回程阶段靠车厢的自重达到回位的目的。因此对举升机构还应有自动复位的约束，即要求车厢的自重力矩大于阻力矩。车厢的质心坐标为（ＸＧｅ，ｙＧｅ），车厢自重力矩：ＭＧ。＝ｒｔｈｇｘＧｅ３２轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｍｒ—一车厢的质量，对比同类车型取ｎ＿１ｅ：７００ｋｇｇ－——一重力加速度；举升机构的阻力矩：Ｍ４５＝Ｆ４５Ｌｌ：车厢能够自动复位应有；ＭＧ。＞ａＭ４５ａ——阻力矩修正系数，一般取ｄ＝１．５；（７）不干涉性约束：１）Ｂ点不与车厢底板干涉Ｂ点速度与Ｃ点速度不相等（方向与大小），因此在举升过程中存在着Ｂ点与车厢底板干涉的可能，必须计算在运动过程中Ｂ点与０６点的距离，并限制Ｂ点永远处于车厢底板的下方。如图６－３所示。（ａ）在车厢处于水平位置时，以Ｃ０点为圆心以ＢＤＱ为半径的圆坐标方程为：（ｘ—ｘｃ０）‘十（ｙ—ｙｃｏ）ｚＬＢｃ‘圆与车厢底板交点为０６（ｘ０６，Ｙ０６），在车厢处于水平位置时：Ｙ０６－－－－Ｙｃｏ＋１５０（注：１５０ｍ为考虑车厢横梁高度和Ｃｏ点铰接轴的安装空间确定的Ｃｏ点到车厢底板的距离）这样即可求出车厢处于水平为值时Ｄ６点的横坐标值ｋ为：ｈ＝√ｋ２－１５０２＋Ｘｃｏ则线段Ｄ０６的长度和ＺＸ００６的大小分别为：‰刮乩＋ｔｓｏ）２＋（厢坻）２ＺＸ００６；ａｆｃｔ锄迎Ｘ０６轻型农用自卸车液压举升机构优化设计图６＿３三角臂与底板干涉校核图（ｂ）车厢举升角为０时；０６点的坐标为：氏。三。魄ｃｏｓ（Ｏ＋倒００Ｄ％２Ｌｏｏ‘ｓｉｎ（０＋ＺＸ００６）直线ＤＤ６的斜率（ｋ６）为：七。＝ｔａｎ（０＋／－ＸＯＯＤ，由第４章可知直线ＢＥ的斜率为：１【４＝塞絮０６点与Ｂ点的距离：乞。。＝、厩ｉ再可ｉ哥通过斜率ｌ（６、ｋ４与０６点与Ｂ点的距离及两点的坐标比较，可判断Ｂ点是否与车厢底板干涉；２）Ｃ点不与直线ＢＥ干涉：在车厢举升过程中，Ｃ点与直线ＢＥ的距离在增大，因此只要保证初始位置时不干涉即可，由式４－２１可得Ｃｏ到直线ＢＥ的距离（ｋｏ）：轻型农用自卸车液压举升机构优化设计Ｌ：一Ｉｘｃｏ（ｙｒ－ｙＢ）＋ｙｃ厂＿ｏ（Ｘ—Ｂ－Ｘ—Ｅ）＋ｙＢ（ｘｒＸ，Ｂ）－ｘＢ（ｙｒｙＢ）Ｉ一≠ｏ；４。√（ｙＢ—ｙＥ）２＋（ｘＢ－ｘ∥１３）Ａ点不与变速器、传动轴干涉：由初期的总布置确定了变速器、传动轴的位置（取板簧压平时的位置），在ｘｏＹ直角坐标系中传动轴两端的坐标分别为：０１（１０８０，－２５０）、０２（２１７０，一１５０），传动轴的直径为巾８０姗；变速器后端最高点的坐标为０３（２４３５，．２０），变速器后端法兰最高沿的坐标为０４（２２１５，一１００）。各点的相对位置如图６．４所示。直线０ｌ０Ｉ的解析方程：Ｙ＋２５０—１５０＋２５０ｘ一１０８０—２１７０一１０８０一Ｋ１直线０１０２的标准方程为：１０９ｙ一１０ｘ＋１６４５０＝ｏ，斜率：ｋ１＝可１河０≈Ｏ．０９２；同理可｛｛导直线０３０４的标准方程为：１１ｙ一４ｘ十８８６０－－－０，斜率：ｋ２＝鲁一ｏ．３６４：图６．４传动轴、交速器位置示意图如若避免拉杆和三角臂与变速器和传动轴干涉，只需将点Ａｏ的位置控制轻型农用自卸车液压举升机构优化设计在直线０ｌ０ｌ和直线０３０４的上方形成的交叉区域内即可（考虑Ａ点位置处铰接轴为通轴时的情况）。Ａｏ点与直线０１０ｌ和直线０３０４相对位置通过的判断斜率ｋｌ、ｋ２、ｋ３的大小及正负和５个点的坐标值即可达到目的。点Ａｏ到直线０１０ｌ的距离（Ｌ６）分别为：Ｌ６＿且逝型蔫糕姹案掣型幽越点Ａｏ到直线Ｑ０４的距离（Ｌ７）分别为：Ｔ—Ｉ苎缝ｌ翌瞠№≥！±ｚ堂煎≥：蔓盘！盐≥ｌ坠：兰盟！：坠≥纽！：№尘！Ｌ７一娟ｉ面万瓦ｉＸ浔为了防止Ａｏ点与变速器和传动轴干涉，不但要求Ａｏ点在直线０ｌＱ和直线０３０４的上方，还要使Ｌ６、Ｌ７值预留出铰接轴半径和传动轴半径的距离；４）若铰接点Ａ处为通轴，还应约束液压缸在车厢举升至最大举升角时与Ａ点的位置，即在０＝０。ｎａｘ时Ａ点到直线ＢＥ的距离，通轴直径为巾４５衄：车厢在举升至最大举升角时的位置如图６－５所示。因此为了防止车厢倾卸时损坏后栏板还要约束△Ｌ和Ｈ的值。车厢后栏板转动铰接点在图６－５所示的直角坐标系中的坐标：０５（飞，ｙ岛），由总布置可知车厢在水平位置时：Ｘ０５＝３３０嘲，地＝￡＋１５０＋ｙｃＤ，其中ｆ为车厢边板高度￡＝４００ｒｍ，１５０瑚为车厢底板到铰接点Ｃ的距离。两铰接点Ｏ和０５之间的距离（ＬＲ）：Ｌｓ－－√—（ｘｏ－ｘ０５）％—（ｙｏ－ｙｏｓ）２一际；２碚轻型农用自卸车液压举升机构优化设计Ｈ地面缝ｉ图６－５最大翻转角时车厢的位置姿态车厢水平时的Ｂ角大小为：Ｂ：ａｒｃｔａ０鳖ｘ仉车厢处于最大转角时铰接点０５的纵坐标：Ｙｏ，‘＝Ｌｓｔａｎ（一５０。）：垢；；碲ｔａｎ（ａｒｃｔ玎警一５０。）＾Ｄ‘Ｈ＿６５针Ｙｏ，一６００＝５４＋地为了防止车厢在倾卸货物时损坏后栏板，应使Ｈ，＞３００ｍｉｌｌ；对于△Ｌ将其限定在３０咖≤△Ｌ，＜６０舭范围之间。（８）油压特性约束：在举升过程中油缸的工作压力随举升角的增大而不断变化。对于油缸的工作压力要求如下：（Ｐ０为油缸的起始工作压力，Ｐ。。为油缸的最大工作压力，Ｐ。ｉ。为油缸的最小工作压力）Ｐ。。。应出现在０＜１５。的范围内但昂＜Ｐ珥。；‰应出现在‰＞ｅ＞１５。的范围内６．４优化方法的选择通过前几节的分析可知，数学模型具有１４个变量，ｘ个不等式约束，属非线性多目标问题的优化设计。在举升机构的多目标优化问题中，我们首要追求的是举升力系数的最优，其次是油压波动系数最优，最后是希望得到最小的建造纵深。对于这一多目标优化问题，各分目标函数按我们的需要将其进行了排序，而且为了避免分层序列法的缺点，因此可采用宽容序列法进行优化。轻型农用自卸车液压举升机构优化设计对于各分目标函数，每个目标函数及其不等式约束都非常的复杂，不宜求导，适于采用不需求梯度的搜索法。在众多的寻优方法中，复合形法、惩罚函数法、随机方向探索法和ＰＯＷＥＬＬ法等在寻优过程中不需求梯度。随机方向探索法一般适用于小型优化问题的解决，即变量、约束不多也不复杂的优化问题，而且这种方法在给出可行初始点的情况下，只能求得近似的局部最优解。ＰＯＷＥＬＬ法和惩罚函数法相结合的方法虽不需求导，但这种方法对给定的初始点的要求比较严格。复合形法是求解约束优化问题的一种重要的直接方法。它来源于求解无约束优化问题的单纯形法，是单纯形法在约束优化问题中的发展。这种方法在寻优过程中无需求导，而且对初始点的要求没有那么严格，其初始点是随机产生的，在此基础上再产生可行初始点，复合形法一般能够稳定地向最优或局部最优趋近，而且每一个中间设计都是可行的。因此，采用复合形法对举升机构的分目标函数进行优化。丝型奎星旦竺兰壅墨堂茎垫塑垡些堂生．——７最优化理论的计算机实现最优化设计之所以成为一门科学，这首先是得益于计算机技术的发展。虽然优化方面的数学理论如线性规划、非线性规划、动态规划等方法发展在前，但如果没有计算机技术的发展，某些优化问题的巨大计算任务将是无法完成的，这一科学技术的应用将会受到很大的限制。随着有了高性能计算机的出现，应用计算机语言编制程序，让计算机来完成大量而复杂的数学计算，许多以前无法完成的大型的优化问题现在就可迎刃而解，优化技术的应用领域也越来越广泛。７．１编程语言简介Ｃ语言是结构化和模块化的语言，它是面向过程的。在处理较小规模的程序时，这种语言方便灵活。但当问题ｅＢ较复杂、程序的规模比较大时，Ｃ语言这种结构化的设计语言显出了它的不足之处。ｃ＋＋是由贝尔实验室的ＢｊａｒｎｅＳｔｒｏｕｓｔｒｕｐ博士及其同事在Ｃ语言的基础上开发成功的。ｃ＋＋保留了Ｃ语言原有的所有优点，增加了面向对象的机制，是一种面向对象的设计（０ｂｊｅｃｔ—Ｏｒｉｅｎｔｅｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）语言。从Ｃ＋＋的名字可以看出它是对ｃ语言的扩充，是Ｃ语言的超集。它既可以用于结构化程序设计，又可以用于面向对象的程序设计，因此它是～个功能强大的混合型的程序设计语言。（参考文献Ｅ３０］）７．１．１面向对象的编程方法２０世纪８０年代，ｃ语言成为最主要，最通用的程序设计语言，使用Ｃ语言可以高效地可移植到计算机上的代码，从而使软件编制得更快，工程总体规模增大。但随着工程规模的增大，软件的复杂性也增加了，这意味着必须采用一种新的程序设计方法，于是面向对象的编程方法（ＯＰＰ）成为当前的热门话题：面向对象的程序设计把重点放在对象之间的关系上，这意味着用户可以把注意力集中在对象与系统其他部分之间的联系上，而不是实现的细节上。传统的软件系统开发方法是厩向过程的开发方法，这里的过程和ｃ语言中的函数的概念相类似。这种开发方法着眼于系统要实现的功能，从系统的输入（已知）和输出（未知）出发，分析系统要做哪些工作，然后考虑系统如何做这些工作，采用自顶向下、逐步分析的方式建立系统的功能结构和相应的程序模块结构。因此一种功能就对应着一定的模块结构，之间的功能非常密切。但是，程序会因各种各样的原因（如增加功能、修补漏洞、改善界面等）需要经常修改，这种修改常常涉及到许多模块，甚至全部模块都要修改，这样，修改的工作量大。而且容易产生错误，使锝程序的维护性不好。面向对象开发方法的出现，弥补了传统方法的不足。面向对象是什么呢？Ｃｏａｄ和Ｙｏｕｒｄｏｎ给它下的定义为：对象是指在应用问题中出现的各种实体、事件、规格说明等，它是由一组属性值和在这组值上的一族方法（或操作）构成，其中，属性值确定了对象的状态。例如一个显示在计算机屏幕上的圆，它作为一个集合对象，由圆心坐标、半径、线宽、颜色等属性确定了它的状态。我们可以通过圆的方法来改变这个圆的属性值。例如，可以有一个ｍｏｖｅ方法，使用它可以把圆移动到一个新的位嚣。另外，圆还应该有三个方法ｓｅｔｒａｄｉｕｓ，ｓｅｔｌｉｎｅｗｉｄｔｈ，ｓｃｔｃｏｌｏｒ用来改变圆的其他属性。在面向对象方法中，把具有相同属性和方法的对象归为一个类（ｃｌａｓｓ），而把一个类中的每一个对象称为该类的一个实例（ｉｎｓｔａｎｃｅ），它们具有相同的方法。例如，在计算机屏幕上有大大小小、花花绿绿若干个圆形，他们都是“圆形”类的实例，这些圆共享该类的所有方法，但是它们在屏幕上显示的位置、大小、颜色不相同，所以它们的属性值各不相同。面向对象方法最有特色的方面是引入了继承（ｉｎｈｅｒｉｔａｎｃｅ）机制。例如，在ＣＡＤ系统中，可将几何图形分为点、直线、曲线、多边形等，它们可以各自建立相应的类，确定必要的属性和相关的操作。而直线又可分为线段、辅助线、多段线；曲线可分为圆、椭圆、Ｂ一样条曲线、Ｂｅｚｉｅｒ曲线等：多边形可以分为三角形、四边形、五边形……其中四边形又可分为平行四边形、梯形等。我们以“多边形”类为基类（ｂａｓｅｃｌａｓｓ，又称父类），建立它的派生类（ｄｅｒｉｖｅｄｃｌａｓｓ，又称子类），如“三角形”类、“四边形”类等，又可以“四边形”类为基类，派生出“平行四边形”类、“梯形”类。将各派生类中的共同部分（包括属性和方法）集中到基类中，派生类只保留自己特有的部分，派生类的对象独享该派生类的属性和方法，同时还能共享基类的共有（ｐｕｂｌｉｃ）的和保护性（ｐｒｏｔｅｃｔ）的属性和方法。通过这种机制，所有对象的属性和方法可以合理的分配到各个类中，减少数据存储和代码的重复，还可以很方便的建立系统的体系结构，很容易地在这个结构上增加新的继承类，从而有效的使用以前的成果，实现类的复用。各个类的对象问通过消息进行通信。所谓消息，实际上是一个类的对象要求另一个类的对象执行某个操作的指令，消息包括要求哪一个对象执行什么操作，有时还要传递调用参数。系统功能的实现，就是通过～系列对象消息的传递，执行一系列操作达到的。面向对象开发方法首先着眼于应用问题所涉及的对象，包括各种物理实体、事件、规格等。把各种实体识别为解决问题所需的各种对象、对象的属性、对象的方法，以及各个对象的实例之间的关系，从而建立对象的结构和为解决问题需要执行的事件序列，据此间里类的继承层次结构，通过各个类的实例之间的消息连接，实现所需的功能。当系统功能需要改变时，主要修改类中间的某些方法，类所代表的对象基本不变，整个系统保持稳定。因此，用面向对象开发方法建立起来的软件易于修改，程序具有更好的可靠性，可修改性，可维护性，可复用性和理解性。７．１．２ｃ＋＋／Ｃ语言简介它是一种通用性语言，功能丰富、使用灵活、目标程序效率高、可移植性好，可以开发出各种软件，尤其适合于开发系统软件。精炼的Ｃ程序可以和汇编语言一样高效，但是Ｃ语言更易理解和维护。为了使Ｃ语言同样适用于面向对象的编程方法，人们开发了Ｃ＋＋。Ｃ＋＋又对Ｃ的改进，其中又加入了对面向对象技术的支持。所以，Ｃ＋＋继承了Ｃ语言的优点，同时更适合现代化的软件开发，从而成为使用最多的语言。下面将介绍在开发过程中用到的Ｃ＋＋／Ｃ知识。（１）注释（ｃｏｍｍｅｎｔ）Ｃ＋＋的注释有两种选择：当只需为一行或一行的末尾部分加上注释时，在注释的前面使用两个斜杠…７／（ｔｗｏｓｌａｓｈｅｓ）；当要对多行文字、一行文字的开始或（和）中间部分加注释时，使用老的注释形式，即在注释的开始处加’ｙ”’（ｓｌａｓｈ，ａｓｔｅｒｉｓｋ），在注释的结束处加”・／”。注意：第二种方法不允许嵌套，也就是说，在一对’，／”’和”ｔ／＇’之间不允许再有另外一对，否则就会出错。在程序中多加注释是一种好习惯，它可以使别人（也包括你自己）容易理解你的程序，从而完善你的程序。尤其是当和别人合作开发一个系统的时候，没有注释会使大家的事情变得很糟糕。（２）包含（ｉｎｃｌｕｄｅ）文件当你在一个程序中使用另外一个程序定义的函数、类、结构时，你必须把定义该函数（类、结构）的头（ｈｅａｄ）文件包含到你的程序中。这要分两种情况。第一种情况，包含系统默认路径中的头文件，如ｓｔｄｉｏ．ｈ，ｓｔｒｉｎｇ．ｈ，ｍａｔｈ，ｈ等，使用：＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｅｘｔ＞，ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｅｘｔ应该替换为你想要包含的具体头文件名（后缀名一般为＿ｈ）。系统默认的路径当安装编译系统时一般会设置正确，如果因为某种原因需要修改路径或者你想要添加系统路径，那么就需要手动设置，它一般是在Ｏｐｔｉｏｎｓ／Ｄｉｒｅｃｔｏｒｉｅｓ中。第二种情况，包含你自己定义的头文件，使用：＃ｉｎｃｌｕｄｅ’，ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｅｘｔ’’用户自定义的头文件一般会和主程序文件在同～个目录中，那样的话，ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｅｘｔ只是一个简单的文件名。但是如果它们不在同一个目录中，你就需要为头文件指明路径，这时，你有两种选择，使用绝对路径（如＃ｉｎｃｌｕｄｅ”ｃ：／ｆｉｘｅｄｄｉｒ／ｍｙｉｎｃｌｕ／ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｈ＇’）和使用相对路径（如＃ｉｎｃｌｕｄｅ’＇ｍｙｉｎｅｌｕ／ｆｉｌｅｎａｍｅ．ｈ”），我建议使用相对路径，不管使用绝对路径会不会出错，使用相对路径可以在相同的功能下减少出现错误的机会。（３）数据类型（ｄａｔｅｔｙｐｅ）Ｃ＋＋／Ｃ的数据类型包括两类。基本数据类型包括ｃｈａｒ，ｉｎｔ，ｌｏｎｇ，ｆｌｏａｔ，ｄｏｕｂｌｅ，……其中ｃｈａｒ，ｉｎｔ，ｌｏｎｇ可以和ｓｉｇｎｅｄ（符号数）或４ｌ轻型农用自卸车液压举升机构优化设计ｕｎｓｉｇｎｅｄ（无符数）结合；复合数据类型包括ａｒｒａｙ，ｐｏｉｎｔｅｒ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｕｎｉｏｎ，ｃｌａｓｓ。（４）变量（ｖａｒｉａｂｌｅ）变量是内存中用来存储数据的区域，变量的值可以改变。变量必须在使用前声明，但是不必须在函数的开始处。变量的声明为：ｄ