CN112380650A - 工作装置结构件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工作装置结构件设计方法，涉及工程机械技术领域，包括以下步骤：建立数学模型；建立工作装置结构件的三维几何模型，根据三维几何模型建立有限元模型；将数学模型转化为有限元优化模型；对有限元优化模型进行迭代计算，以输出工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。本发明提供的工作装置结构件设计方法，对尺寸参数设置一定的取值范围，利用有限元仿真迭代计算，即可直接输出能够使工作装置结构件质量最小的尺寸参数，不需要反复进行设计校核，便捷性较高。

Description

工作装置结构件设计方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其是涉及一种工作装置结构件设计方法。

背景技术

工作装置结构件包括动臂、斗杆和铲斗等，是液压挖掘机的重要组成部分。工作装置结构件的结构设计既要满足指定的运动轨迹，也要满足挖掘工作时的力学性能。

目前，工作装置结构件大多采用板材焊接而成，其自身重量对工作装置结构件执行运动的影响较大，因此，工作装置结构件的轻量化设计具有一定的现实意义。

常规的轻量化设计方法是根据设计经验结合有限元仿真，选取预估的尺寸参数，然后对预估方案进行校核，在校核结果不符合要求时，则需反复设计以满足要求，过程较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作装置结构件设计方法，以解决现有技术中的轻量化设计过程较为繁琐的技术问题。

本发明提供的工作装置结构件设计方法，包括以下步骤：

建立数学模型：对N个尺寸参数设置对应的设计变量：desvar_1、desvar_2、...、desvar_N；其中N≥1；

对设计变量设置对应的取值区间：

其中，d_N 为desvar_N的取值区间最小值，

为desvar_N的取值区间最大值；

设置约束条件：V_constr≤f，Stress_constr≤σ；其中，V_constr为工作装置结构件的体积比，Stress_constr为工作装置结构件的结构应力，f和σ为常数；

设置优化目标：工作装置结构件的质量Mass_obj；

建立如下数学模型：

其中，Min为优化目标的最小化，s.t.为约束条件，Variables为设计变量；

建立工作装置结构件的三维几何模型，根据三维几何模型建立有限元模型；将数学模型转化为有限元优化模型；

对有限元优化模型进行迭代计算，以输出工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

进一步地，将数学模型转化为有限元优化模型包括：

设置与N个尺寸参数t₁、t₂...、t_N对应的设计变量：desvar_1、desvar_2、...、desvar_N，建立每个设计变量与其对应区域内材料属性之间的联系；

设置优化响应：工作装置结构件的体积比V_constr、工作装置结构件的结构应力Stress_constr以及工作装置结构件的质量Mass_obj；

对多个优化响应分别对应添加为约束条件或优化目标：体积比约束条件：V_constr≤f、结构应力约束条件：Stress_constr≤σ以及优化目标Mass_obj。

进一步地，根据三维几何模型建立有限元模型包括：

对工作装置结构件的三维几何模型划分有限元网格，添加载荷谱和边界条件，设置载荷步分析类型为线性分析。

进一步地，根据三维几何模型建立有限元模型还包括：

对三维几何模型进行有限元计算，得到静力学分析的有限元模型文件、计算结果文件和结果后处理文件；读取结果后处理文件并对有限元分析结果进行评价，以验证有限元模型的准确性。

进一步地，迭代计算包括：

利用HyperWorks/OptiStruct软件中梯度优化策略进行尺寸参数的更替，并将更替后的尺寸参数值发送至有限元优化模型中进行下一轮优化迭代。

进一步地，建立工作装置结构件的三维几何模型包括：利用Creo软件建立工作装置结构件的三维几何模型文件，并导出三维几何模型文件。

进一步地，还包括在有限元分析软件中，对工作装置结构件的三维几何模型进行模型简化处理。

进一步地，还包括将输出的N个尺寸参数的最优值取整，

将取整后的N个尺寸参数的最优值发送至有限元优化模型中进行有限元分析计算，并输出的工作装置结构件的尺寸值。

进一步地，所述尺寸参数为工作装置结构件的截面尺寸参数。

进一步地，还包括确定优化方案：工作装置结构件的结构应力值和体积比在预设范围内时，以工作装置结构件质量最小为优化目标，寻找工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

本发明提供的工作装置结构件设计方法，对尺寸参数设置一定的取值范围，通过数学模型计算以获得满足设计要求的尺寸参数值，将数学模型转化为有限元优化模型，对有限元优化模型进行迭代计算，即可直接输出能够使工作装置结构件质量最小的最优尺寸参数，不需要单独将数学模型计算后的尺寸参数重新进行有限元分析，避免反复进行设计校核，便捷性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供工作装置结构件设计方法的技术路线图；

图2是本发明实施例提供工作装置结构件设计方法中连杆的结构示意图；

图3是本发明实施例提供工作装置结构件设计方法中连杆的剖面图；

图4是本发明实施例提供工作装置结构件设计方法中动臂的结构示意图；

图5是本发明实施例提供工作装置结构件设计方法中动臂的剖面图。

图标：1－连杆；2－动臂。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、初始状态地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种工作装置结构件设计方法，下面给出多个实施例对本发明提供的工作装置结构件设计方法进行详细描述。

本实施例提供的工作装置结构件设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

建立数学模型：对N个尺寸参数设置对应的设计变量：desvar_1、desvar_2、...、desvar_N；其中N≥1；

对设计变量设置对应的取值区间：

其中，d_N 为desvar_N的取值区间最小值，

为desvar_N的取值区间最大值；

设置约束条件：V_constr≤f，Stress_constr≤σ；其中，V_constr为工作装置结构件的体积比，Stress_constr为工作装置结构件的结构应力，f和σ为常数；

设置优化目标：工作装置结构件的质量Mass_obj；

建立如下数学模型：

其中，Min为优化目标的最小化，s.t.为约束条件，Variables为设计变量；

建立工作装置结构件的三维几何模型，根据三维几何模型建立有限元模型；将数学模型转化为有限元优化模型；

对有限元优化模型进行迭代计算，以输出工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

建立数学模型能够描述结构轻量化与结构强度之间的联系，并通过数学模型计算获得最优的尺寸参数，设置约束条件：V_constr≤f，Stress_constr≤σ，能够使工作装置结构件在保证结构强度的前提下，输出结构参数最优值，以同时满足轻量化设计与强度设计的要求。

对尺寸参数设置一定的取值范围，通过数学模型计算以获得满足设计要求的尺寸参数值。

将数学模型转化为有限元优化模型，对有限元优化模型进行迭代计算，并将数学模型的优化结果同步进行有限元计算分析，即可直接输出能够使工作装置结构件质量最小的最优尺寸参数，不需要单独将数学模型计算后的尺寸参数重新进行有限元分析，避免反复进行设计校核，便捷性较高。

其中，约束条件中还可以增加屈曲相关的约束条件，例如，k_f＞30，k_f为一阶屈曲系数。

具体地，在建立数学模型前，可以确定优化方案：工作装置结构件的结构应力值和体积比在预设范围内时，以工作装置结构件质量最小为优化目标，通过优化计算方法，寻找工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

其中，建立工作装置结构件的三维几何模型，可以使用Creo软件，也可以使用SolidWorks软件等任意适合的软件。

本实施例中，利用Creo软件建立工作装置结构件的三维几何模型文件，并导出三维几何模型文件，为Creo与有限元分析软件之间的数据转换做准备。

其中，Creo是整合了Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包。

进一步地，还包括在有限元分析软件中，对工作装置结构件的三维几何模型进行模型简化处理，为有限元计算的精度和效率做准备，以提高计算的精度及效率。

对工作装置结构件的三维几何模型进行模型简化处理，可以根据简化后的三维几何模型建立有限元模型。

具体地，根据三维几何模型建立有限元模型包括：

对工作装置结构件的三维几何模型划分有限元网格，添加载荷谱和边界条件，设置载荷步分析类型为线性分析。

进一步地，根据三维几何模型建立有限元模型还包括：

对三维几何模型进行有限元计算，得到静力学分析的有限元模型文件、计算结果文件和结果后处理文件；读取结果后处理文件并对有限元分析结果进行评价，以验证有限元模型的准确性。

验证有限元模型的准确性，能够使迭代计算更加准确，从而提高仿真计算的准确性。

验证有限元模型的准确性后，可以将数学模型转化为有限元优化模型，设置优化问题的有限元模型，具体包括：设计变量、优化响应、约束条件和优化目标。

具体地，首先，设置与N个尺寸参数t₁、t₂...、t_N对应的设计变量：desvar_1、desvar_2、...、desvar_N，建立每个设计变量与其对应区域内材料属性之间的联系；

其次，设置优化响应：工作装置结构件的体积比V_constr、工作装置结构件的结构应力Stress_constr以及工作装置结构件的质量Mass_obj；

最后，对多个优化响应分别对应添加为约束条件或优化目标：体积比约束条件：V_constr≤f、结构应力约束条件：Stress_constr≤σ以及优化目标Mass_obj。

进一步地，迭代计算包括：

利用HyperWorks/OptiStruct软件中梯度优化策略进行尺寸参数的更替，并将更替后的尺寸参数值发送至有限元优化模型中进行下一轮优化迭代。

迭代优化过程中，有限元优化模型在满足自身约束的条件下实现优化目标的最小化，直至优化计算完成，输出有限元优化模型的最优解。

其中，HyperWorks/OptiStruct是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成设计与分析所需各种工具，具有无比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。CAE(Computer Aided Engineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

进一步地，还包括将输出的N个尺寸参数的最优值取整，将取整后的N个尺寸参数的最优值发送至有限元优化模型中进行有限元分析计算，并输出的工作装置结构件的尺寸值。

本实施例中，尺寸参数为工作装置结构件的截面尺寸参数。通过工作装置结构件的截面尺寸，获取工作装置结构件的整体尺寸。此外，尺寸参数也可以为工作装置结构件的外轮廓尺寸等任意适合的形式。

作为一种可选地实施方式，如图2至图3所示，利用本实施例提供的工作装置结构件的设计方法设计一连杆1：

确定优化方案：工作装置结构件的结构应力值小于300Mpa、体积比小于原始设计的50％，以工作装置结构件质量最小为目标，寻找工作装置结构件中3个尺寸参数(t₁、t₂和t₃)的最优值。明确优化方案后，根据优化方案建立数学模型。

建立数学模型：对3个尺寸参数设置对应的设计变量：desvar_1、desvar_2和desvar_3；

对设计变量设置对应的取值区间上下限：5mm≤desvar_1≤20mm、5mm≤desvar_2≤20mm、5mm≤desvar_N≤20mm；

设置约束条件：V_constr≤50％，Stress_constr≤300MPa；；

设置优化目标：工作装置结构件的质量Mass_obj；

建立如下数学模型：

其中，优化目标是连杆1整体的质量最小化MinMass_obj；约束条件是：体积比小于初始设计的50％，结构应力小于300Mpa；设计变量的取值区间是：5mm≤desvar_1≤20mm、5mm≤desvar_2≤20mm、5mm≤desvar_3≤20mm。

基于Creo软件建立连杆1的三维几何模型文件connetcion＿rod.prt.1，并将三维几何模型导出生成connetcion＿rod.stp文件，为Creo与HyperWorks/OptiStruct之间的数据转换做准备。

在HyperWorks/OptiStruct有限元分析软件中，对连杆1结构的三维几何模型进行模型简化处理，保存生成connetcion＿rod.hm文件，为有限元计算的精度和效率做准备。

对连杆1结构的三维几何模型划分有限元网格，并添加载荷谱和边界条件，设置载荷步分析类型为线性分析。

通过对连杆1结构进行有限元计算，得到静力学分析的有限元模型文件connetcion＿rod.fem、计算结果文件connetcion＿rod.out、结果后处理文件connetcion＿rod.mvw。读取结果后处理文件，对有限元分析结果进行评价，以验证有限元模型的准确性。

将数学模型转化为有限元优化分析模型。设置优化问题的有限元模型，具体包括：设计变量、优化响应、约束条件、优化目标。首先，设置与尺寸参数对应的优化设计变量desvar_1、desvar_2和desvar_3，并建立设计变量与设计区域内材料属性之间的联系。其次，设置优化问题的优化响应：体积百分比V_constr、连杆1的质量Mass_obj、连杆1的结构应力Stress_constr。最后，对多个优化响应分别对应添加为约束或目标：优化目标是连杆1整体的质量最小化MinMass_obj；约束条件是：体积比小于或等于初始设计的50％，结构应力小于或等于300Mpa。

有限元模型优化计算中，利用HyperWorks/OptiStruct中梯度优化策略，进行设计参数的更替，并将更替后的参数值重新返回到计算模型中，进行下一轮优化迭代。迭代优化过程中，优化模型在满足自身约束的条件下实现优化目标的最小化。直至优化计算完成，输出优化模型的最优解。

将最优计算结果的尺寸值取整，将取整后的尺寸参数的最优值发送至有限元优化模型中进行有限元分析计算，并输出的连杆1的尺寸值。

作为另一种可选地实施方式，利用本实施例提供的工作装置结构件的设计方法设计一动臂2：

确定优化方案：工作装置结构件的结构应力值小于300Mpa、体积比小于原始设计的30％，以工作装置结构件质量最小为目标，寻找工作装置结构件中6个尺寸参数(h₁、w₁、h₂、w₂、h₃和w₃)的最优值。明确优化方案后，根据优化方案建立数学模型。

建立数学模型：对6个尺寸参数设置对应的设计变量：desvar_h₁、desvar_w₁、desvar_h₂、desvar_w₂、desvar_h₃和desvar_w₃；

对设计变量设置对应的取值区间上下限：100mm≤desvar_h₁≤400mm，5mm≤desvar_w₁≤20mm，100mm≤desvar_h₂≤400mm，5mm≤desvar_w₂≤20mm，100mm≤desvar_h₃≤400mm，5mm≤desvar_w₃≤20mm；

设置约束条件：V_constr≤30％，Stress_constr≤300MPa；

设置优化目标：工作装置结构件的质量Mass_obj；

建立如下数学模型：

其中，优化目标是动臂2整体的质量最小化MinMass_obj；约束条件是：体积比小于初始设计的30％，结构应力小于300Mpa；设计变量的取值区间是：100mm≤desvar_h₁≤400mm，5mm≤desvar_w₁≤20mm，100mm≤desvar_h₂≤400mm，5mm≤desvar_w₂≤20mm，100mm≤desvar_h₃≤400mm，5mm≤desvar_w₃≤20mm。

基于Creo软件建立动臂2的三维几何模型文件arm.prt.1，并将三维几何模型导出生成arm.stp文件，为Creo与HyperWorks/OptiStruct之间的数据转换做准备。

在HyperWorks/OptiStruct有限元分析软件中，对动臂2结构进行模型简化处理，保存生成arm.hm文件，为有限元计算的精度和效率做准备。

动臂2结构划分有限元网格，并添加载荷谱和边界条件，设置载荷步分析类型为线性分析。

通过动臂2结构有限元计算，得到静力学分析的有限元模型文件arm.fem、计算结果文件arm.out、结果后处理文件arm.mvw。读取结果后处理文件，对有限元分析结果进行评价，以验证有限元模型的准确性。

将数学模型转化为有限元优化分析模型。设置优化问题的有限元模型，具体包括：设计变量、优化响应、约束条件、目标函数。首先，如图4至图5所示，设置与尺寸参数h₁、w₁、h₂、w₂、h₃、w₃对应的优化设计变量：desvar_h₁、desvar_w₁、desvar_h₂、desvar_w₂、desvar_h₃和desvar_w₃，并建立设计变量与设计区域内材料属性之间的联系。其次，设置优化问题的优化响应：体积百分比V_constr、整体质量Mass_obj、应力Stress_constr。最后，对多个优化响应分别对应添加为约束或目标：体积比约束V_constr≤30％、应力约束Stress_constr≤300Mpa、目标Mass_obj。

有限元模型优化计算中，利用HyperWorks/OptiStruct中梯度优化策略，进行设计参数的更替，并将更替后的参数值重新返回到计算模型中，进行下一轮优化迭代。迭代优化过程中，优化模型在满足自身约束的条件下实现优化目标的最小化。直至优化计算完成，输出优化模型的最优解。

将最优计算结果的尺寸值取整，将取整后的尺寸参数的最优值发送至有限元优化模型中进行有限元分析计算，并输出的连杆1的尺寸值。

本实施例提供的工作装置结构件设计方法，通过设置设计变量的取值范围，避免了常规设计中尺寸参数选取的不确定性；通过建立优化问题的数学表达式，将物理模型转化为数学模型，从而将设计需求表达的更简洁；将优化模型转化为有限元模型，使优化计算过程直接进行有限元计算，结果分析更为直观；将数学模型结合有限元模型的求解，得到了最优解；即，通过优化设计方法计算，获得了满足设计需求和约束条件下的结构轻量化设计的最佳尺寸参数；轻量化优化设计方法在工作装置结构件设计中的应用，使得结构具有最佳的材料利用率，并获得最佳的力学特性，避免了传统结构设计过程中的不确定性；采用优化设计，使得工作装置结构件在保证力学性能的前提下，实现了轻量化的最优结构设计。

本实施例提供的工作装置结构件设计方法适用于斗杆、铲斗、摇杆等工作装置结构件的轻量化设计。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种工作装置结构件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立数学模型：对N个尺寸参数设置对应的设计变量：des var_1、des var_2、...、desvar_N；其中N≥1；

对设计变量设置对应的取值区间：

其中，d_N 为des var_N的取值区间最小值，

为des var_N的取值区间最大值；

设置约束条件：V_constr≤f，Stress_constr≤σ；其中，V_constr为工作装置结构件的体积比，Stress_constr为工作装置结构件的结构应力，f和σ为常数；

设置优化目标：工作装置结构件的质量Mass_obj；

建立如下数学模型：

其中，Min为优化目标的最小化，s.t.为约束条件，Variables为设计变量；

建立工作装置结构件的三维几何模型，根据三维几何模型建立有限元模型；将数学模型转化为有限元优化模型；

对有限元优化模型进行迭代计算，以输出工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

2.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，将数学模型转化为有限元优化模型包括：

设置与N个尺寸参数t₁、t₂...、t_N对应的设计变量：des var_1、des var_2、...、desvar_N，建立每个设计变量与其对应区域内材料属性之间的联系；

设置优化响应：工作装置结构件的体积比V_constr、工作装置结构件的结构应力Stress_constr以及工作装置结构件的质量Mass_obj；

对多个优化响应分别对应添加为约束条件或优化目标：体积比约束条件：V_constr≤f、结构应力约束条件：Stress_constr≤σ以及优化目标Mass_obj。

3.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，根据三维几何模型建立有限元模型包括：

对工作装置结构件的三维几何模型划分有限元网格，添加载荷谱和边界条件，设置载荷步分析类型为线性分析。

4.根据权利要求3所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，根据三维几何模型建立有限元模型还包括：

对三维几何模型进行有限元计算，得到静力学分析的有限元模型文件、计算结果文件和结果后处理文件；读取结果后处理文件并对有限元分析结果进行评价，以验证有限元模型的准确性。

5.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，迭代计算包括：

利用HyperWorks/OptiStruct软件中梯度优化策略进行尺寸参数的更替，并将更替后的尺寸参数值发送至有限元优化模型中进行下一轮优化迭代。

6.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，建立工作装置结构件的三维几何模型包括：利用Creo软件建立工作装置结构件的三维几何模型文件，并导出三维几何模型文件。

7.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，还包括在有限元分析软件中，对工作装置结构件的三维几何模型进行模型简化处理。

8.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，还包括将输出的N个尺寸参数的最优值取整，

将取整后的N个尺寸参数的最优值发送至有限元优化模型中进行有限元分析计算，并输出的工作装置结构件的尺寸值。

9.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，所述尺寸参数为工作装置结构件的截面尺寸参数。

10.根据权利要求1所述的工作装置结构件设计方法，其特征在于，还包括确定优化方案：工作装置结构件的结构应力值和体积比在预设范围内时，以工作装置结构件质量最小为优化目标，寻找工作装置结构件中N个尺寸参数的最优值。

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