workbench的机械臂的多目标优化设计

..基于workbench的机械吊臂的多目标优化设计何嘉华1〔1.华南理工大学机械与汽车工程学院省市510641〕摘要:现代机械设计中，为数不少的设计将伸缩机械臂构造设计为矩形截面，本文就以这种矩形机械伸缩吊臂为研究对象，利用有限元分析工具workbench进展数值仿真，并通过其置专业优化模块DesignE*ploration对矩形构造吊臂进展多目标优化设计，探讨了矩形截面各参数对伸缩机械臂最大正应力的影响，求出吊臂轻量化最优解，优化结果说明：在保证臂架强度、刚度的前提下，臂架质量降低了463.6kg约占优化前臂架质量的15.1%．降低此类了机械吊臂的制造本钱，降低了设备的使用能耗，为臂架设计及轻量化提供了理论依据．关键词：矩形截面；吊臂；workbench；多目标优化Abstract:Inthemodernmechanicaldesign,therearelargenumberofthetelescopicarmstructuredesignforrectangularcrosssection,inthispaper,therectanglemechanicaltelescopicboomtreatedastheresearchobject,usingthefiniteelementnumericalsimulationanalysistoolworkbench,andthroughitsbuilt-inprofessionaloptimizationmoduleDesignE*plorationtofinishrectangularstructuremulti-objectiveoptimizationDesign,theinfluenceoftheparametersofthetelescopicarmrectangularsectiontothema*imumnormalstressarediscussed,andthecranejiblightweightoptimalsolutions.theoptimizationresultsshowthatunderthepremiseofguaranteetheboomstrength,stiffness,boomqualitydecreased463.6kgaccountedforabout15.1%oftheoptimizationoftheforearmrackquality.Reducingsuchamechanicalarmmanufacturingcostsandtheenergyconsumptionofequipment,providingatheoreticalbasisfortheboomandlightweightdesign.Keywords:rectangularsection;boom;workbench;multi-objectiveoptimization前言矩形截面伸缩吊臂广泛应用于大型吊车中，港口集装箱装卸、堆码和水平作业的特种工程设备也都含有此类伸缩臂构造，也用于铁路中转站和工作中转站的货物搬具有机动灵活、操作方便、稳定性好、堆场利用率高等优点ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"胡仕成,2013#18"1]。矩形截面机械臂如图1所示图1吊车简图1臂架建模与数值仿真由于大臂，小臂受力情况类似，机械臂大臂小臂均为矩形截面，本文只分析小臂截面各参数与机械臂最大正应力之间的关系，分析大臂与机械臂最大正应力之间的关系方法类似，故本文不做分析。实际设计的机械臂出于制造或平安等因素都设计有倒圆倒角构造，但这些对于本文分析的目的影响不大，如果建模含有倒圆,在划分网格的时候将产生大量的有限元单元增加计算机计算时间且降低了网格质量ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>程彬彬</Author><Year>2015</Year><Reum>21</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[2]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">21</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>程彬彬</author><author>黄美发</author><author>吴常林</author><author>吴芬</author><author>*思遥</author></authors></contributors><auth-address>**电子科技大学机电工程学院;</auth-address><titles><title>基于ANSYSWorkbench的龙门铣床横梁多目标优化设计</title><secondary-title>组合机床与自动化加工技术</secondary-title></titles><periodical><full-title>组合机床与自动化加工技术</full-title></periodical><pages>10-12+16</pages><number>02</number><keywords><keyword>ANSYSWorkbench</keyword><keyword>横梁</keyword><keyword>多目标优化</keyword></keywords><dates><year>2015</year></dates><isbn>1001-2265</isbn><call-num>21-1132/TG</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"程彬彬,2015#21"2]。所以在实体建模时采用适当简化模型。现在测得*公司生产的吊车小臂矩形面各尺寸，利用pro/e建立机械臂的三维简化模型，然后通过pro/e上的接口把三维模型导入workbench软件中，之后在workbench中进展静力学分析。网格划分采用He*dominantMethod方法，单元大小取50mm,当机械臂完全伸出的时候小臂相当与固定在大臂上，故小臂左端固定约束，右端承重40吨，此时臂架自身重量不可忽略,需要设置StandardEarthGravity载荷，静力分析结果如图2所示。图2优化前吊臂应力分析结果求解结果知道最大应力为116.7Mpa,远小于许用应力[δ]=250Mpa/1.4=178Mpa,其中1.4为平安系数。质量为3.687t,变形量为8.5502mm,因此该种吊臂存在较大的优化空间，要寻找最正确设计使得材料物尽其用，使吊臂轻量化。2参数建模利用workbench进多目标行优化设计，必须先对臂架进展参数建模。吊车伸缩小臂架为矩形截面，伸缩臂截面尺寸由根本臂截面尺寸控制，以根本臂截面尺寸建立参数化模型，进展优化分析．2.1设计变量图3吊臂截面各变量图3为矩形臂架截面参数，截面部高度为H，宽为L，侧面板厚为T，上面板厚度为m，下底板为ｎ，本文选取此5尺寸为设计变量，要求在吊车小臂在满足强度和刚度的情况下使得吊臂具有更小的质量，以减少生产本钱，节约材料。优化设计变量如下。*=f〔H，L，T，m，n〕图5参数设置过程H、L、T、m、n五个变量作为函数的输入参数，在workbench中将设计变量作为输入参数，将质量，总变形量，最大应力作为输出，设置过程如图，设计变量值域如表1。表1设计变量值域输入参数〔mm〕HLtmn初始值804704162630最大值820720183232最小值720620122027材料设置为构造钢，泊松比为0.3，弹性模量为2.1*Pa，密度为7.85g/QUOTE，许用强度250Mpa，对于应力较大的区域细化网格划分采用He*dominantMethod方法以提高分析准确度ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>祁丽</Author><Year>2014</Year><Reum>23</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[3]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">23</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>祁丽</author><author>*军</author><author>黄冠星</author></authors></contributors><auth-address>集美大学;</auth-address><titles><title>基于Fluent和Workbench的蒸汽喷射器流场分析和构造参数优化</title><secondary-title>流体机械</secondary-title></titles><periodical><full-title>流体机械</full-title></periodical><pages>35-38</pages><number>05</number><keywords><keyword>Fluent</keyword><keyword>蒸汽喷射器</keyword><keyword>数值模拟</keyword><keyword>Workbench优化</keyword></keywords><dates><year>2014</year></dates><isbn>1005-0329</isbn><call-num>34-1144/TH</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"祁丽,2014#23"3],单元设置为50mm,得到单元数目5024、节点数目24695,施加约束，施加载荷。优化过程设置的约束载荷等外在条件要与第一次分析是的条件保持一致才有可比性，比方承重仍选取40t等。2.2灵敏度分析灵敏度是指系统输入的参数对于输出结果的影响程度ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>袁素粉</Author><Year>2011</Year><Reum>28</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[4]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">28</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>袁素粉</author><author>袁晓红</author><author>陈昌生</author></authors></contributors><auth-address>**理工大学汽车工程学院现代汽车零部件技术**省重点实验室;</auth-address><titles><title>基于ANSYSWorkbench的半挂车车轴的强度分析及其优化设计</title><secondary-title>汽车</secondary-title></titles><periodical><full-title>汽车</full-title></periodical><pages>42-46</pages><number>04</number><keywords><keyword>半挂车</keyword><keyword>有限元分析</keyword><keyword>优化设计</keyword><keyword>AnsysWorkbench</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><isbn>1002-4581</isbn><call-num>11-2227/U</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"袁素粉,2011#28"4]，可以忽略灵敏度相对微小的参数，以减少参数个数，到达减少计算量的目的。对参数直接求导是快速而简单的灵敏度分析方ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>*国锋</Author><Year>2014</Year><Reum>22</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[5]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">22</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>*国锋</author><author>王卫荣</author></authors></contributors><auth-address>**工业大学机械与汽车工程学院;</auth-address><titles><title>基于ANSYSWorkbench的吊座尺寸多目标优化设计</title><secondary-title>机械工程与自动化</secondary-title></titles><periodical><full-title>机械工程与自动化</full-title></periodical><pages>69-70+73</pages><number>01</number><keywords><keyword>构造优化</keyword><keyword>多目标优化</keyword><keyword>有限元分析</keyword><keyword>ANSYSWorkbench</keyword><keyword>吊座</keyword></keywords><dates><year>2014</year></dates><isbn>1672-6413</isbn><call-num>14-1319/TH</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"*国锋,2014#22"5]。根据表1的值域设置workbench会自动生成27个设计点进展优化，优化结果5个设变计量与3个输出变量灵敏度关系如图6所示。图6输入与输出灵敏度关系图以二维图形式显示各个输入变量对单个输出-总变形量之间的关系图7吊臂侧面板高度H跟最大变形量关系图8吊臂下底板宽度L跟最大变形量关系图9侧面厚度T跟最大变形量关系图10吊臂上面板厚度m跟最大变形量关系图11吊臂下面板厚度n跟最大变形量关系由以上五个二维图可以得出侧面板高度增大，总变形减小。侧面板厚度增大，总变形减小。上面板厚度增大总变形减小，下面板厚度增大总变形减小。下面板宽度增大总变形减小。且各设计变量与变形量之间关系曲线斜率较大，因而他们之间存在较大联系，由此判断本文选取的所有五个变量是适宜的，ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>岳华</Author><Year>2013</Year><Reum>19</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[6]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">19</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>岳华</author></authors></contributors><auth-address>**省**市特种设备监视检验所;</auth-address><titles><title>基于ANSYSWorkbench的起重机箱型悬臂梁优化设计</title><secondary-title>群众标准化</secondary-title></titles><periodical><full-title>群众标准化</full-title></periodical><pages>65-67</pages><number>06</number><keywords><keyword>优化设计</keyword><keyword>箱型</keyword><keyword>多目标优化</keyword><keyword>产品设计</keyword><keyword>设计空间</keyword><keyword>响应面</keyword><keyword>仿真分析</keyword><keyword>函数构造</keyword><keyword>产品零部件</keyword><keyword>试验设计</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><isbn>1007-1350</isbn><call-num>14-1101/T</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"岳华,2013#19"6]研究它们之间的关系有意义。3优化设计矩形截面臂架优化取质量、变形、最大应力作为优化目标，本研究目的是保证臂架强度和刚度满足要求的条件下，使臂架的质量最小．多目标优化是向量函数的优化，各个分目标函数，一般是相互矛盾的ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>查太东</Author><Year>2012</Year><Reum>29</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[7]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">29</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>查太东</author><author>杨萍</author></authors></contributors><auth-address>三一重型装备**;</auth-address><titles><title>基于AnsysWorkbench的固定支架优化设计</title><secondary-title>煤矿机械</secondary-title></titles><periodical><full-title>煤矿机械</full-title></periodical><pages>28-30</pages><number>02</number><keywords><keyword>优化设计</keyword><keyword>拓扑优化</keyword><keyword>AnsysWorkbench</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><isbn>1003-0794</isbn><call-num>23-1280/TD</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"查太东,2012#29"7]，对此，一种求解的方法是构造综合目标函数F(*)=KA(*)+HB(*)+GC(*)〕其中A(*)、B(*)、C(*)分别为3个分目标函数；K、H、G分别为3个目标函数的影响因子ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>*全政</Author><Year>2012</Year><Reum>26</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[8]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">26</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>*全政</author></authors><tertiary-authors><author>*进生,</author><author>王志,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>伸缩臂高空作业平台轻量化设计及控制系统研究</title></titles><keywords><keyword>高空作业平台</keyword><keyword>伸缩臂</keyword><keyword>优化设计</keyword><keyword>控制系统</keyword></keywords><dates><year>2012</year></dates><publisher>**大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"*全政,2012#26"8]。在本例中，吊臂调运过程缓慢故相当于受到静载荷，在保证最大等效应力小于许用应力178Mpa,，最大变形量满足要求前提下吊臂最轻。因而节约材料是重要目标，于是赋予重量更高的影响因子，使得臂架质量优先级最高ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>程相文</Author><Year>2013</Year><Reum>17</Reum><DisplayTe*t><styleface="superscript">[9]</style></DisplayTe*t><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="vfd0ar90ss0909evfp6vd201svftws0wzst9">17</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>程相文</author><author>*钊</author><author>魏荣</author></authors></contributors><auth-address>**联合大学机械工程学院;**职业技术学院电气工程系;</auth-address><titles><title>基于ANSYSWorkbench带式输送机传动滚筒的多目标优化设计</title><secondary-title>矿山机械</secondary-title></titles><periodical><full-title>矿山机械</full-title></periodical><pages>70-73</pages><number>03</number><keywords><keyword>带式输送机</keyword><keyword>传动滚筒</keyword><keyword>多目标优化</keyword><keyword>ANSYSWorkbench</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><isbn>1001-3954</isbn><call-num>41-1138/TD</call-num><urls></urls><remote-database-provider>ki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[\o"程相文,2013#17"9]。优化目标与权重设置见表2。表2权重设置目标函数优化目标权重最大等效应力≤178Mpa默认总变形量最小化默认质量最小化更高经计算得到A、B、C、3组推荐优化设计点如表3