优化基于adams叉装车货叉平移性优化

基于ADAMS的叉装车货叉平移性优化

基于ADAMS的叉装车货叉平移性优化第l4卷第期

2009年1O月

集关大学(自然科学版)

JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Vo1.14N0.4

Oct.20o9

[文章编号】 1007—7405(2009)04—0406一o4

基于ADAMS的叉装车货叉平移性优化

王云超,安二中2,陈宁,胡碌煌

(1.集美大学机械工程学院,福建厦f7361021;2.江苏技术师范学院机械工程系,江苏常州213001)

[摘要]基于机械系统动力学软件ADAMS环境,对叉装车工作装置进行参数化建模,采用OFrDE$一

S QP非线性序列二次规划算法,对影响货叉平移性的油缸安装位置和角度,摆动油缸的直径等因素进行了

优化设诂.从优化分析结果看,货叉的平移性较其他优化方法提高了25%. [关键词】又装车;二次规划法;平移性;优化

[中图分类号]TH24[文献标志码]A

O引言

,

叉装车的结构参数和相关参数选用的不同,将影响货物装卸的平稳性.保证货物平稳性的重

要指标就是叉装车货叉的平移性,货叉的平移性一般通过货叉在举升过程中的角度变化大小来评价.

影响叉装车平移性的因素很多,如各种油缸的铰点位置,工作装置的初始状态,油缸直径等.目前,

关于伸缩臂式叉装车的优化主要采用传统的优化设计方法,借助Madab软件进行优化分析,如针对

伸缩臂式叉装车货叉平动机构的优化J,分析了平动机构存在平移误差的原因,并以平移误差最小

为优化目标,进行了优化分析.另外,针对伸缩臂式叉装车铰点位置的优化设计J,根据叉装车的

运动和受力特点进行了优化分析.

这些优化都假设摆动油缸和辅助油缸的直径相等J,这种假设无疑会影响货叉的平移性.针对

以往结构优化设计复杂,难于求解的问题,本文采用虚拟样机技术对叉装车货叉平移性进行优化,充

分考虑了摆动油缸和辅助油缸初始安装位置,角度以及摆动油缸直径对货叉平移性的影响.同时,考

虑了液压系统的额定压力对优化结果的约束,避免了优化结果造成的液压系统压力过高.

1伸缩臂式叉装车的机构和工作原理

伸缩臂式叉装车的工作装置主要由货叉,摆动液压缸,伸缩臂,举升液压缸,辅助液压缸和支架

等组成.在举升液压缸举升过程中,为了保证货叉的平移性,要将摆动液压缸和辅助液压缸的前后腔

分别连通,如图1,图2所示.关于货叉平移性误差产生的原因,参见文献[5].图1所示为基于ADAMS环境,创建的叉装车工作装置的虚拟样机模型.ADAMS软件建立的虚

拟样机模型是基于拉格朗日方程法建立的多体动学模型.采用ADAMS软件,建立如图1所示的多体

动力学模型,即虚拟样机模型,然后利用ADAMS软件的自动建模技术,在分析过程中,生成系统的

数学模型.模型的求解可选择已有的动力学数值分析算法进行迭代求解.2优化分析求解器选择

ADAMS/View提供了两种算法求解有约束优化问题.OPTDES—GRG为使用OPTDES的广义递

[收稿日期]2009—02一l6[修回日期]2009一o4—30

[基金项目]集美大学博士启动基金,福建省青年人才项目(2008F3074) [作者简介]王云超(1976一),男,讲师,博士,从事多桥转向车辆系统动力学仿真和虚拟样机研究.

第4期王云超,等:基于.ADAMS的叉装车货叉平移性优化

减梯度算法,这种方法是目前求解一般非线性优化问题的最有效的算法之

一.OPTDES—S QP为使用

OPTDES的二次规划算法,这种方法被认为是目前最先进的非线性规划计算方法.优化问题的数学模

型参见文献[7].

1一辅助油缸;2一摆动油缸;3一溢流阀

图1叉装车工作装置虚拟样机图2液压系统防过载模型

Fig.1 VirtualprototypemodelofworkingdeviceofforklifttruckFig.2A~i-ovedoadmodelofhydraulic system

2.1确定目标函数

根据优化目标,寻求提高货叉平移性的最优方案,用举升过程中货叉角度变化量的最小值作为优

化目标函数,确定优化设计的目标函数为goal:MAX(.model一1.cha—angle)一MIN(.model一1.cha—an—gle),其中.model_1.cha—angle是举升过程中货叉角度变化量的瞬态值,逆时针为正.

2.2确定设计变量

传统的优化设计,一般忽略很多相对次要的因素,只考虑主要因素的影响.采用虚拟样机优化技

术,可以考虑更多的影响因素,又不会造成优化模型的复杂.根据优化目标确定优

化设计变量如表1

所示.

2.3确定设计约束条件

2.3.1变量取值范围约束

根据叉装车的结构限制和设计要求,给出各设计变量的允许变化范围,各变量取值范围如表1所

示.

表1各设计变量的范围

Tab.1Therangeofdesignvariables由于摆动油缸和辅助油缸的直径同时变化会造成优化工作量的大幅增加,而其实际效果与只优化

摆动油缸直径差别不大,所以,只选取摆动油缸直径作为优化变量.2.3.2传动角约束

为了提高传动效率,防止机构锁死,要求在整个运动过程中,保证各个传动角最小角大于

1 O.,即约束D1 c1 Ol和ODC的角度在10.一90.之间变化,在ADAMS中,建立其约束条件如

表2所示.

集美大学(自然科学版)第14卷

表2各传动角的约束条件

Tab.2Theconstraintsofdrivingangle 2.3.3货叉平移误差的限制

为防止货物从货叉上脱落,要求平移误差必须为正值,即一Az(MARKER一19)?0,其中,AZ

(MARKE R_19)为货叉的平移误差.

2.3.4液压系统额定压力限制

摆动油缸克服货物的阻力矩而产生的系统压力应该小于系统的额定压力.为了避免优化结果造成

液压系统过载,需在虚拟样机模型的液压系统建立压力约束,如图2所示.当系统的工作压力超过额

定压力时,溢流阀3开始工作,货叉下倾,导致货叉平移误差为负值,根据货叉平移

误差约束条件,

则优化结果无效,从而限制液压系统过载.

2.3.5摆动油缸和辅助油缸稳定性及结构约束

考虑油缸伸长的稳定性时,要求油缸最大长度和最小长度之比小于1.6,且最小长度应符合油缸

设计规范.在ADAMS中通过控制油缸的行程范围来进行约束.2.3.6举升高度限制

为了保证举升高度,在伸缩臂长度不变的情况下,通过限制伸缩臂的转动角度DV_ZD来保证举

升高度,其变化范围为65.一70..

3优化结果分析

3.1仿真分析

虚拟样机仿真模型建立后,对整个模型施加运动驱动,模拟真实的工况.模型的驱动施加在伸缩

臂的转动铰处.伸缩臂的转动角度为STEP(time,1.0,0.0d,5.0,DV—ZD).图3即为优化后的货叉平

移误差的变化曲线,从中可以看出,货叉的最大平移误差在0.1.附近.由于受液压系统压力波动的

影响,货叉的平移误差产生较小的波动.从图4可以看出,在举升过程中液压系统的压力为

8.13 MP a,没有超过系统的额定压力17 MP a.因此,优化结果是合理的.啷

双

怨

.10

.O8

.

06

.04

.02

O

科st| s

图3叉装车货叉平移误差变化曲线图4摆动油缸的压力变化曲线

Fig.3TranslationerrorcurveofforklifttruckFig.4Pres surecurveofswingingcylinder

3.2优化结果

优化设计机构原型为SZF25伸缩臂叉车,表3所示为优化前后的结构和性能参数与参考文献

[4]优化结果的对比分析.

第4期王云超,等:基于ADAMS的叉装车货叉平移性优化

表3初始模型和优化模型主要结构和性能参数比较

Tab.3Comparisonofmainstructuralandperformanceparametersofinitialandoptimalmodel

由表3可以看出,采用虚拟样机技术对叉装车货叉的平移性进行优化后,货叉的平移性有了明显

的提高,误差减小了0.5255.,较原型车货叉的平移性提高了83.4%,相对参考文献[4]的优化结

果提高了25.4%.

4结论

利用大型机械系统动力学软件ADAMS对叉装车货叉平移性进行优化分析,从优化分析结果看,

货叉的平移性能较原型车和其它算法都有不同程度的提高.因此,采用虚拟样机优化方法,可以进一

步提高优化设计的精度.采用虚拟样机技术进行优化分析的最大优点是:I)避免研究者花费大量精

力去建立相应的优化数学模型,使研究的问题简化,并且可以建立机液一体化虚拟样机模型,使优化

模型更加接近实物;2)整个优化分析周期大大缩短,优化过程形象直观,结果提取方便,优化效果

好;3)在可以考虑液压系统的油缸直径和系统额定压力等各种因素对优化结果影响的情况下,不会

造成优化模型的过度复杂,是一种更容易普及和实用的优化方法.

[参考文献]

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[2]王志,闰洪峰,陈文科,等.伸缩臂叉车设计思想浅析[J].农业装备与车辆工程,2009,4:5-10.

[3]穆希辉,刘秀云,王金诺,等.伸缩臂式叉车货叉平动机构的优化[J].起重运输机械,2002(3):15-18.

[4]曾立斌,候忠明.伸缩臂式叉装车铰点位置的优化[J].起重运输机

械,2003(8):22-25.

[5]刘秀云.伸缩臂式叉装车工作装置和动力性能优化研究[D].成都:西南交通大学机械工程学院,2000.

[6]MS CS O FTWARE.MS CADAMS/View高级培训教程[M].邢俊文,陶永忠,译.北京:清华大学出版社,

2004:107—114.

[7]高秀华,王云超.基于ADAMS的装载机工作装置的优化[J].计算机仿

真,2007,I:218-221.

OptimizationofForkTranslationalFunctionof

Forklift-TruckB as edonADAMS

WANGYun—chao,ANEr—zhong2,CHENNing,HUJing—huang

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China;

2.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuTeachersUniversityofTechnology,Changzhou213001,C hi n a)

hetranslationalfunctionofforklifttruckswasoptimizedusingtheS QP(S equentialQuadraticProgramming)al—gorithmfromtheOPTDEScodeofdesignsynthesis.Theeffectfactorsofinstallingpositionsandanglesofcyl-inderandswingingcylinderdiameterswereconsidered.Comparedtootheroptimizations,the fo rk tran s l ati on—alfunc tionofforklifttruckwasimprovedby25%.fromthe optimiz ationre sults.

Keywords:forklifttruck;optimiz ation;sequentialquadraticprogrammingalgo rithm;translationalfunction

(责任编辑陈敏)