液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計平臺的開發(fā)_圖文

1、l墨a目臣墨譬I冒墨l置l巨l昌圓 塑望些堡矽 液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計平臺的開發(fā) 鄧小禾,馬 力,喬媛媛(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院, 湖北武漢430070”呷摘蔞:研究磁了液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計平臺,介紹了平臺總體方案設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計平臺具體實現(xiàn).最后剩 用該平臺對典型車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計,得到較好結(jié)果。 +關(guān)鍵讕:優(yōu)化設(shè)計平臺;液壓模塊式組合半掛車;參數(shù)化中圈分類號:TP39U463.4文獻標識碼:B 文章編號:10099492(201002-0069-041前言目前國外對液壓模塊式組合半掛車研究相當(dāng)成熟,相應(yīng)的手段和方法也比較成熟。國內(nèi)企業(yè)對液壓模塊式

2、組合半掛車的設(shè)計仍主要以經(jīng)驗設(shè)計和模仿設(shè)計為主,沒有先進的理論和工具作為支持.嚴重影響企業(yè)自主研發(fā)能力。雖然文獻1、 2利用ADAMS進行交互式優(yōu)化設(shè)計,或者針對具體車型直接編程對傳統(tǒng)多軸轉(zhuǎn)向車輛進行優(yōu)化研究.但沒有形成系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計平臺。由于液壓模塊式組合半掛車拼車軸線數(shù)通常在332軸線之間。與傳統(tǒng)的多軸線車輛轉(zhuǎn)向設(shè)計不同.若沒有先進、實用和高效的優(yōu)化設(shè)計平臺作為設(shè)計工具。仍難以實現(xiàn)真正意義上的自主設(shè)計目標。因此,作者在文獻3建立了任意軸線下液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型,并對典型兩路側(cè)向安置車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)計,得到比較好的效果。本文在該模型的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于虛

3、擬樣機技術(shù)的液壓模塊式組合半掛車優(yōu)化設(shè)計平臺。該平臺可以在參數(shù)化仿真的基礎(chǔ)上對多種拼接條件下車輛換位孔的位置進行優(yōu)化設(shè)計。為企業(yè)提供有效的設(shè)計工具,提高產(chǎn)品設(shè)計的自動化程度。2平臺總體方案設(shè)計該平臺要求系統(tǒng)所采用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論和方法要具有良好的先進性和實用性,計算速度快。功能上。要求能實現(xiàn)軸線組合范圍內(nèi)任意軸線下各拼車方案轉(zhuǎn)向機構(gòu)的參數(shù)化建模。并能進行模型的參數(shù)化修改;設(shè)計新的軸線數(shù)組合時。能通過調(diào)整參數(shù)對轉(zhuǎn)向拉桿的位置重新布收稿日期:2009棚一30 .島 .。 鶚置,并對調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進行仿真分析;能對組合范圍內(nèi)任 意軸線拼車方案下轉(zhuǎn)向拉桿換位孔的位置進行優(yōu)化設(shè)計. 保證各輪盡可能在

4、轉(zhuǎn)向過程中接近純滾動;優(yōu)化設(shè)計時. 要求轉(zhuǎn)向拉桿長度不變,并能對換位孔的可變動空間加以 限制;同時要求系統(tǒng)具備轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)仿真功能.能計 算出各輪所需的理論轉(zhuǎn)角、特定轉(zhuǎn)向機構(gòu)布置下的各輪 實際轉(zhuǎn)角以及理論轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角的差值,給出各換位 孔的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。設(shè)計平臺上,要求在Windows操作 系統(tǒng)上利用ADAMS進行二次開發(fā),所編制的代碼具備獨 立的知識產(chǎn)權(quán),不能影響原ADAMS系統(tǒng)的正常運行,也 不能對其功能、可操作性和使用環(huán)境有不良的影響。界 面上,要求界面友好,操作方便和可擴充性強。優(yōu)化結(jié) 果可視化程度高。組合半掛車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)用來保證汽車轉(zhuǎn)向時,各車輪 盡可能作純滾動。而實際轉(zhuǎn)向時,各軸

5、車輪不能實現(xiàn)純滾 動。因此,優(yōu)化設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)各轉(zhuǎn)向拉桿的最佳 布置,使車輪在各種拼車方案下盡可能接近純滾動。系統(tǒng) 中以各軸車輪理論轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角加權(quán)偏差絕對值均值最 小為優(yōu)化目標進行轉(zhuǎn)向拉桿換位孔位置的優(yōu)化設(shè)計。針對n軸線車輛,設(shè)m表示計算涉及到的軸線數(shù)。當(dāng) n分別為偶數(shù)或奇數(shù)時,m分別取n/2和(n1/2。設(shè) .正(X(i=1,2,2m1最小為優(yōu)化目標,引入權(quán)函 數(shù)k(i=1,2,2m1,取k=l(i-1,2,2m 1,設(shè)A0;為第i個車輪的轉(zhuǎn)角偏差,(B。為加權(quán)系 數(shù)。任意軸線下目標函數(shù)的統(tǒng)一表達式為:(磊;釜些堡皇竺l墨I晝口留墨l四匝E害量冒E圈廠(x=Az(x=口坩嘩I(屈只

6、I= ,Il Jll, 2ml 、averageI緲(屆IAe,l|用整體坐標(孫,%和(粕,強分別表示第i(i= 1,2,3,m根拉桿的前端連接點和后端連接點位 置,用局部坐標吼表示該拉桿軸線與菇軸的夾角,f為第i 根拉桿的長度。規(guī)定水平右起逆時針方向夾角為正.順時 針方向夾角為負。則有:粕2髫_fIcosP。,螄2y.+l,sinqi,i=1,2,3,m。 將各拉桿的前端連接點的整體坐標和其軸線與茹軸夾 角的局部坐標選為優(yōu)化設(shè)計變量.可使優(yōu)化設(shè)計變量數(shù)減 少三分之一,且滿足桿長不變的幾何約束條件,不需額外 桿長約束。轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計變量為:X=(龍l,茗2,戈3,茗一。=I,知1,Pl,鉚

7、,訌, P2,】:",Pm (1 式(1中變量變化范圍為:%陸孫茗m,強m,和戈細,PhhPiP自m根據(jù)液壓模塊式組合掛車設(shè)計的要求.平臺的主要功 能模塊包括模型建立模塊、模型修改模塊、模型仿真模 塊、優(yōu)化設(shè)計模塊和結(jié)果輸出模塊,如圖1所示。模型建 立模塊要求對不同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、不同軸線和拼接形式下圖1優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖的轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。因此,在設(shè)計建模 功能時,必須實現(xiàn)參數(shù)化建模。模型修改模塊可實現(xiàn)對在 模型建立環(huán)節(jié)中建好的模型或建模完成后通過仿真環(huán)節(jié)仿 真后的模型進行修改。組合掛車轉(zhuǎn)向拉桿連接點坐標參數(shù) 隨著拼接的模塊數(shù)目的增多而增多.設(shè)計人員在對轉(zhuǎn)向拉 桿的

8、布置進行設(shè)計時要反復(fù)修改這些參數(shù).如果每次重新 建?；蛟谀Ｐ徒h(huán)節(jié)中修改,容易導(dǎo)致參數(shù)數(shù)據(jù)出錯甚 至出現(xiàn)混亂,從而使設(shè)計周期延長。效率降低。而模型修 改功能可方便設(shè)計人員對當(dāng)前參數(shù)數(shù)值進行修改.因此可 縮短設(shè)計時間,減少出錯機率,提高設(shè)計效率。模型建立 完成并確認無誤后即可進行仿真分析,設(shè)計人員可以根據(jù) 需要來設(shè)置仿真時間和仿真步數(shù).從而得到不同的圖表結(jié) 果,包括各輪理論轉(zhuǎn)角、實際轉(zhuǎn)角以及理論轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn) 角的差值。也可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的動態(tài)仿真顯示。仿真結(jié)束 后便可以使用優(yōu)化設(shè)計模塊進行優(yōu)化。優(yōu)化完成后可以通 過結(jié)果顯示功能得到分析和設(shè)計結(jié)果。結(jié)果顯示包括數(shù)據(jù) 和圖表。組合半掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)

9、計系統(tǒng)運行流程如圖2所 示。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的拼接形式和各轉(zhuǎn)向拉桿設(shè)計參 數(shù),從數(shù)字模型庫中調(diào)用所需的數(shù)字模型并對其進行參數(shù) 化建模,自動產(chǎn)生轉(zhuǎn)向機構(gòu)虛擬樣機的初始設(shè)計。接著對 其進行初步仿真,檢查模型的有效性。如果初始設(shè)計仿真 效果較差,可進入模型修改環(huán)節(jié)對某些參數(shù)進行修改。直 到仿真效果滿意為止。如果初始設(shè)計仿真效果較好,即可 進行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計中,首先要建立優(yōu)化模型,這 包括設(shè)計變量和約束條件的設(shè)置,然后選擇合適的優(yōu)化算 法和迭代次數(shù)等。最后開始計算。當(dāng)優(yōu)化結(jié)果差。有時甚 至優(yōu)化失敗時,應(yīng)對模型參數(shù)進行修改至優(yōu)化結(jié)果滿意為 止。最后輸出優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。圖2系統(tǒng)運行流程圖l墨I暑a宙目

10、I窶蜀臣譬l口昌圈型墮些堡力3優(yōu)化平臺的具體實現(xiàn)菜單是軟件界面系統(tǒng)中的一種基本形式.幾乎所有的 系統(tǒng)都包含菜單界面。菜單的使用既方便組合半掛車設(shè)計 人員對程序的調(diào)用。又便于系統(tǒng)開發(fā)人員將各項功能、命 令或操作有機地組織起來。菜單設(shè)計的好壞直接影響著模 塊的使用質(zhì)量,因此系統(tǒng)菜單的設(shè)計要滿足以下要求:(1菜單的設(shè)計要便于學(xué)習(xí),掌握軟件功能所花時間的長 短對軟件的推廣和應(yīng)用都將產(chǎn)生深遠的影響.因此在菜單 設(shè)計上應(yīng)盡量使用戶容易學(xué)習(xí)并掌握;(2菜單的設(shè)計要便于操作,良好的操作性可以有效地降低操作失誤率. 提高設(shè)計結(jié)果的準確度并縮短設(shè)計周期;(3菜單的設(shè) 計要便于記憶,能夠使用戶在間隔一段時間不使用該

11、模塊 后,一旦接觸。 就能很快的回憶 起各個交互操 作;(4菜單的設(shè)計要便于系 統(tǒng)提高速度.對 于ADAMS軟件. 其系統(tǒng)復(fù)雜.調(diào) 用的子系統(tǒng)也很 多.因此在模塊 菜單設(shè)計時對子 系統(tǒng)采用即用即增的菜單保持了原有界面的完整性,視覺效果上也顯得簡明直觀.使用起來也比較方便快捷。對話框是目前最流行的人機交互界面。它支持以鼠標 為代表的輸入設(shè)備,向用戶提供圖形與文本并存的可視化 環(huán)境.使用戶在使用軟件系統(tǒng)時操作更為簡便。ADAMS 提供了專用的對話框定制工具(Custom GUI供用戶設(shè)計 符合自身需要的對話框。專用模塊的對話框即采用Custom GUI設(shè)計。利用ADAMS菜單工具加載對話框。由于對

12、話框主要承擔(dān)參數(shù)輸入、仿真環(huán)境設(shè)置以及優(yōu) 化分析等多種任務(wù),幾乎所有功能的執(zhí)行,都需要設(shè)計人 員與對話框進行交流。因此對話框的設(shè)計需要布局合理、 操作方便、便于學(xué)習(xí)。避免一次性全部 圖4建模對話框參數(shù)輸入界面調(diào)入。這對整個大系統(tǒng)的運行速度和穩(wěn)定性有很大的好處。系統(tǒng)采用下拉式菜單形式。根據(jù)總體方案,該下拉式 菜單的主菜單包括建模、模型修改、仿真、優(yōu)化設(shè)計、優(yōu) 化結(jié)果顯示和圖形輸出等主要菜單項。同時,為了減小內(nèi) 存占用,優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)運行之初需要初始化加載,初始化 圖3下拉式菜單加載過程只需在模塊 運行前操作一次而不 用反復(fù)進行。因此。 在設(shè)計菜單時將初始 化加載選項置于最底 層,可以有效減少誤 操

13、作引起的錯誤。下拉式菜單如圖3.“Assembledtrail.el"”即為所開發(fā)的系 統(tǒng)的主菜單?？紤]到模型選擇對話框用于軸線及拼車方案選取。建模和模 型修改對話框以及結(jié)果顯示對話框的風(fēng)格相統(tǒng)一。為了便 于設(shè)計人員正確輸入?yún)?shù)值.還在對話框界面上給出了轉(zhuǎn) 向拉桿連接點示意圖,如圖4所示。建模對話框中默認數(shù) 據(jù)為缺省值,模型修改對話框中出現(xiàn)數(shù)據(jù)為當(dāng)前參數(shù)。優(yōu)專用系統(tǒng)的菜單不能破壞原有系統(tǒng)的任何功能,因此除了 增加的專用菜單外,還保留ADAMS原有的各項菜單。新圖5優(yōu)化設(shè)計參數(shù)設(shè)置對話框(苞釜些堡皇竺E墨I詈墨宙墨l雹墨墨善躉冒E圈 圖61縱隊24軸線拼接圖74種典型拼接形式各輪優(yōu)化前

14、后轉(zhuǎn)角差值化設(shè)計對話框如圖5。設(shè)計人員在調(diào)用優(yōu)化設(shè)計對話框進 行優(yōu)化設(shè)計時,對話框中會出現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計變量初值及其可 調(diào)整范圍的上下限值。輸入所需參數(shù)值后可開始優(yōu)化。 4應(yīng)用實例利用該平臺對典型1縱隊6、7、12和24軸線數(shù)縱拼 液壓模塊式組合半掛車進行了優(yōu)化分析。以某車型的參考 數(shù)據(jù)進行建模,車輛軸距L=1500mm,輪距B=1775mm,最 大允許偏轉(zhuǎn)角為60'。其中24軸線仿真模型如圖6所示。4種典型車輛孔位優(yōu)化結(jié)果如表l所示。可以看出,各軸線 目標函數(shù)顯著降低,最高降幅達38.40%,轉(zhuǎn)向性能有較大 改善。圖7(a(d為轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化前后各輪轉(zhuǎn)角偏差 絕對值的對比圖。容易看出,各軸車

15、輪轉(zhuǎn)角偏差的絕對值 優(yōu)化后明顯減小。因此,優(yōu)化取得了很好的效果。5結(jié)束語使用表明.該設(shè)計平臺通用性強、使用方便、運行速 度快、計算可靠、可擴充性強。該平臺可供企業(yè)設(shè)計人員 單機使用,可大幅提升企業(yè)自主研發(fā)能力。 參考文獻:1田增,李海鷗,田宏.基于MATLAB多軸掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計J.機械設(shè)計與研究,2006(1:97100.2劉從華,趙斌,高秀華,等.多軸線轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化 設(shè)計【J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007(9:8185.3】鄧小禾,馬力,喬媛媛.液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu) 化設(shè)計J.專用汽車,2009(9:4648.第一作者簡介:生。研究領(lǐng)域:鄧小禾,女,1986年生,湖北廣水人。碩士研究 汽車CAD/CAE。 (編輯:向 飛 。 一一一。-。一一一。-1.一 一:史 正:我刊2009年第12期刊登的基于GSK980TA :數(shù)控系統(tǒng)工件坐標系的建立與刀具補償一文,作 !者及單位應(yīng)為:黃忠1一,陳忠家-(1.合肥工業(yè)大學(xué) :材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.安徽經(jīng) :濟技術(shù)學(xué)校,安徽合肥230031。特此更正。 液壓模塊式組合半掛車轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計平臺的開發(fā)作者:鄧小禾 , 馬力 , 喬媛媛作者單位:武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢,430070刊名:機電工程技術(shù)英文刊名:MECHANICAL &