一种挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法.pdf

本发明公开了一种挖掘机工作装置动力学模型的集成优化方法，运用ISIGHT-Solidworks -ANSYS的集成优化模式，简化了工作装置的建模，大大减少了设计人员的工作量。通过嵌套和组合任意的求解策略，对设计问题智能化的探索，不断选择新的设计初始值，从而进行自动地仿真和优化。ISIGH在每次运行分析的过程中，可以实现实时的监控，产品的参数变更引起的产品整体的变化、设计参数输入和性能参数输出都可以在过程中显示。不仅可以利用ISIGHT优化软件自动搜索到满足性能要求的最优解，而且在保证挖掘机工作装置在满足结构约束的前提下，提高了工作装置的固有频率，增强了工作装置的刚度，减小了结构的变形。

权利要求书
1.  一种挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用三维建模软件Solidworks对挖掘机工作装置进行三维建模，首先保存为*.SLDASM文件，然后将其另存为*.x_t文件，为Solidworks和ANSYS之间的数据传输做准备；
(2)在ANSYS有限元分析软件中进行挖掘机工作装置模型的修改和简化处理，通过对挖掘机工作装置的模态性能进行分析，得到ANSYS集成优化所需的Input.txt输入文件和Output.txt文件；Input.txt输入文件包括两个部分：Solidworks模型文件.x_t文件以及ANSYS的命令流文件.lgw文件；
(3)Solidworks通过专用组件与ISIGHT进行集成，选取Solidworks中的*.SLDASM文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
(4)ANSYS通过通用组件与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
(5)采用批处理的方式借助Ansys.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
(6)读取输出文件，从中调取挖掘机工作装置优化问题的目标值；
(7)利用ISIGHT中的梯度优化策略，进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，分别传递至Solidworks和ANSYS中进行下一轮优化迭代；
(8)直到输出文件传递出的目标值在制定迭代步数内达到最优，则集成优化结束，输出全局最优解。

2.  根据权利要求1所述的挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，其特征在于：步骤(1)中，利用三维建模软件Solidworks对挖掘机工作装置进行三维建模的步骤为：首先根据任务要求，确定挖掘机工作装置的独立设计变量、约束条件和频率目标函数，利用Solidworks软件建立实体模型，并使用方程式对有函数关系的参数进行关联约束，保留独立设计变量作为优化参数；然后将其导入ANSYS中进行进一步的完善、求解。

3.  根据权利要求、2所述的挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，其特征在于：所述的所述挖掘机工作装置的独立设计变量、约束条件和频率目标函数如下：
X＝[x1,x2,x3,x4,w1]
maxF＝FREQ5
250≤x1≤350,450≤x2≤650
1200≤x3≤1600,1875≤x4≤2500

0.  01≤w1≤0.02
其中，挖掘机工作装置的设计变量集合X中，x1＝'D9@草图1@dongbi618_Part'，为动臂三角形较短边的长度；X2＝'D3@草图1@dougan618_Part'为斗杆三角形中最短边的长度；x3＝'D6@草图1@chandou618_Part'为铲斗的总长度；x4＝'D1@凸台-拉伸 3@dongbi618_Part'为动臂的宽度；W1为动臂、斗杆和铲斗中各个板的厚度；maxF为挖掘机工作装置的频率目标函数，FREQ5为模态分析的第5阶频率。

4.  根据权利要求2或3所述的挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，其特征在于：挖掘机工作装置的频率目标函数根据谐响应分析的位移-频率曲线确定。

说明书一种挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法
技术领域
本发明涉及一种利用ISIGHT优化平台综合调用Solidworks三维建模软件和ANSYS有限元分析软件的挖掘机工作装置集成优化方法，属于机械设计与自动化领域。
背景技术
挖掘机工作装置是影响液压挖掘机工作效率的一个重要部分，传统的设计方法多采用静力计算确定工作装置的受力，依靠安全系数的选取保证其强度及可靠性的经验方法，而挖掘机在作业过程中，工作装置时刻处于振动之中，且其振动为复杂周期振动的合成，因此承受动态载荷带来的冲击与振动问题。在挖掘机工作装置设计时，应避免结构的固有频率与外载的激振频率接近，以防止发生共振。传统的设计方法不能保证其动态性能满足实际要求。对于挖掘机工作装置的优化应在工作装置结构约束条件的前提下固有频率最大为目标进行设计。现有的利用ANSYS等软件的优化由于受到软件优化能力的局限，因此并不能得到最优的设计方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，利用ISIGHT优化平台综合调用Solidworks三维建模软件和ANSYS有限元分析软件的挖掘机工作装置集成优化方法，该方法运用Solidworks对工作装置进行建模，并运用ANSYS对工作装置进行模态分析，通过ISIGHT优化平台实现自动循环仿真和优化，并最终取得全局优化解，提高挖掘机工作装置的优化效率和优化精度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种挖掘机工作装置动力学模型集成优化方法，其特征在于：包括以下步骤:
(1)利用三维建模软件Solidworks'对挖掘机工作装置进行三维建模，首先保存为*.SLDASM文件，然后将其另存为*.x_t文件，为Solidworks和ANSYS之间的数据传输做准备。
(2)在ANSYS有限元分析软件中进行挖掘机工作装置模型的修改和简化处理，通过对挖掘机工作装置的强度刚度进行分析，得到ANSYS集成优化所需的Input.txt输入文件和Output.txt文件。Input.txt输入文件包括两个部分:solidworks模型文件.x_t文件以及ANSYS的命令流文件.lgw文件。
(3)Solidworks通过专用组件与ISIGHT进行集成，选取*.SLDASM文件中的相关参数作为优化问题的设计变量。通过勾选Show Solidworks during execution选项可以观察Solidworks运行情况。
(4)ANSYS通过通用组件与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
(5)采用批处理的方式借助Ansys.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
(6)读取输出文件，从中调取挖掘机工作装置优化问题的目标值和约束值；
(7)利用ISIGHT中的梯度优化策略，进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，分别传递至Solidworks和ANSYS中进行下一轮优化迭代；
(8)直到输出文件传递出的目标值在制定迭代步数内达到最优，则集成优化结束，输出全局最优解。
首先根据任务要求，确定挖掘机工作装置的独立设计变量、约束条件和频率目标函数，利用Solidworks软件建立实体模型，并使用方程式对有函数关系的参数进行关联约束，保留独立设计变量作为优化参数。然后将其导入ANSYS中进行进一步的完善，建立其有限元模型，并计算求解。
所述的所述挖掘机工作装置的独立设计变量、约束条件和频率目标函数如下：
X＝[x1,x2,x3,x4,w1]
maxF＝FREQ5
250≤x1≤350,450≤x2≤650
1200≤x3≤1600,1875≤x4≤2500
0.01≤w1≤0.02
其中，挖掘机工作装置的设计变量集合X中，x1＝'D9@草图1@dongbi618_Part'，为动臂三角形较短边的长度；X2＝'D3@草图1@dougan618_Part'为斗杆三角形中最短边的长度；x3＝'D6@草图1@chandou618_Part'为铲斗的总长度；x4＝'D1@凸台-拉伸3@dongbi618_Part'为动臂的宽度；w1为动臂、斗杆和铲斗中各个板的厚度；max F为挖掘机工作装置的频率目标函数，FREQ5为模态分析的第5阶频率。
挖掘机工作装置模态分析的频率目标函数是根据谐响应分析的位移-频率曲线确定的。
有益效果：本发明提供的挖掘机工作装置动力学模型的集成优化方法，利用ISIGHT多学科优化平台对Solidworks-ANSYS进行综合式集成优化。运用ISIGHT-Solidworks-ANSYS的集成优化模式，简化了工作装置的建模，大大减少了设计人员的工作量。通过嵌套和组合任意的求解策略，对设计问题智能化的探索，不断选择新的设计初始值，从而进行自动地仿真和优化,可以用来解决不同的分析问题。ISIGH在每次运行分析的过程中，可以实现实时的监控，产品的参数变更引起的产品整体的变化、设计参数输入和性能参数输出都可以在过程中显示。通过本发明的优化，较好的解决了挖掘机工作装置 的模态分析问题，最终获得令挖掘机工作装置模态性能更优的全局解。其不仅可以利用ISIGHT优化软件自动搜索到满足性能要求的最优解，而且在保证挖掘机工作装置在满足结构约束的前提下，进一步提高了工作装置的固有频率，增强了工作装置的刚度，减小了结构的变形，在实际使用中取得了良好的效果。
附图说明
图1为挖掘机工作装置模型示意图；
图2为谐响应分析位移-频率响应曲线图；
图3为本发明的集成流程图；
图4为梯度优化迭代曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作更进一步的说明。
建立挖掘机工作装置的优化模型
结合图1，挖掘机工作装置的主要部件有动臂1、动臂油缸2、斗杆3、斗杆油缸4、铲斗5、铲斗油缸6、连杆7和连杆8。本实施例中挖掘机工作装置主要涉及的参数的初始值如表1所示；
表1优化前挖掘机工作装置参数一览

本发明中挖掘机工作装置的材料选用16Mn，弹性模量E＝2.06e11，泊松比0.3，密度7800kg/^3,实际工作中，动臂1、动臂油缸2和回转平台采用铰接的方式，是一个固定结构，因此，在动臂1、动臂油缸2和回转平台铰接处的销轴处进行全约束。
根据上述参数可以建立挖掘机工作装置的优化数学模型。
X＝[x1,x2,x3,x4,w1]
maxF＝FREQ5
250≤x1≤350,450≤x2≤650
1200≤x3≤1600,1875≤x4≤2500
0.01≤w1≤0.02
其中，挖掘机工作装置的设计变量集合X中，x1＝'D9@草图1@dongbi618_Part'，为动臂1三角形较短边的长度；x2＝'D3@草图1@dougan618_Part'为斗杆3三角形中最短边的长度；x3＝'D6@草图1@chandou618_Part'为铲斗的总长度；x4＝'D1@凸台-拉伸3@dongbi618_Part'为动臂1的宽度；W1为动臂1、斗杆3和铲斗5中各个板的厚度；max F为挖掘机工作装置的体积目标函数，FREQ5为模态分析的第5阶频率。
挖掘机工作装置模态分析的频率目标函数是根据图2所示的谐响应分析的位移-频率曲线确定的，谐响应分析选取动臂1、斗杆3和铲斗5的顶部节点进行分析，由图2可见，在第5阶频率处，各节点的响应均达到峰值，故第5阶频率易引起挖掘机工作装置共振，故将此频率最大化以提高工作装置的刚度。
结合图3的优化步骤，利用三维建模软件Solidworks'对挖掘机工作装置进行三维建模，首先保存为*.SLDASM文件，然后将其另存为*.x_t文件，为Solidworks和ANSYS之间的数据传输做准备。
在ANSYS有限元分析软件中进行挖掘机工作装置模型的修改和简化处理，通过对挖掘机工作装置的强度刚度进行分析，得到ANSYS集成优化所需的Input.txt输入文件和Output.txt文件。输入文件包括两个部分:solidworks模型文件.x_t文件以及ANSYS的命令流文件.lgw文件。
Solidworks通过专用组件与ISIGHT进行集成，选取Solidworks中的*.SLDASM文件中的相关参数作为优化问题的设计变量。通过勾选Show Solidworks during execution选项可以观察Solidworks运行情况。
ANSYS通过通用组件与ISIGHT进行集成，选取输入文件中的相关参数作为优化问题的设计变量；
采用批处理的方式借助Ansys.bat脚本的方式驱动ANSYS进行有限元分析；
读取输出文件，从中调取挖掘机工作装置优化问题的目标值和约束值；
利用ISIGHT中的梯度优化方式，进行设计参数的修正，并将修正后的参数值重新返回到输入文件中，分别传递至Solidworks和ANSYS中进行下一轮优化迭代；图4为使用梯度优化算法NLPQL进行优化所得的优化迭代曲线图。
直到输出文件传递出的目标值在制定迭代步数内达到最优，则集成优化结束，输出全局最优解。
应用结果比较
表2为本案的优化结果与现有优化结果之间的对比。
表2挖掘机工作装置优化前后比较
变量值优化前优化后'D9@草图1@dongbi618_Part'(mm)2130.612131.65'D3@草图1@dougan618_Part'(mm)646.53646.68'D6@草图1@chandou618_Part'(mm)1476.481473.88'D1@凸台-拉伸3@dongbi618_Part'(mm)253.92250各个板的厚度W1(m)0.0130.02频率FREQ5(HZ)18.7124.50
由上表可见，本案所用的优化设计方法在保证满足各项约束条件的前提下挖掘机工作装置频率优化程度达到31％左右，提高了工作装置的固有频率，增强了工作装置的刚度，减小了结构的变形，提高了工作装置的稳定性和可靠性。
本发明运用方法运用Solidworks对工作装置进行建模，并运用ANSYS对工作装置进行模态分析，通过ISIGHT优化平台实现自动循环仿真和优化，并最终取得全局优化解，提高挖掘机工作装置的优化效率和优化精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。