某专用车辆架设装置的虚拟优化设计

2018年8月JournalofMilitaryTransportationUniversity

Vol.20No.8August2018

●车辆与船艇工程Vehicle&WatercraftEngineering

某专用车辆架设装置的虚拟优化设计

赵重年1，王2，李

波2，李红勋2

（1.陆军军事交通学院学员五大队，天津300161；

2.陆军军事交通学院军事交通运输研究所，天津300161）

摘

要：为对某专用车辆架设机构结构进行优化设计，依靠虚拟样机技术建立专用车辆架设装置的

虚拟仿真模型，对最危险状态下的基本臂和伸缩臂进行结构有限元分析，在满足其强度和刚度的前提下对吊臂的结构进行优化设计，进而降低整个吊臂的质量。经分析，该方法优化了架设机构结构，减轻质量，合理可行，可用于物理样机设计、改进或新产品的开发。关键词：架设装置；虚拟设计；结构优化；专用车辆

DOI:10.16801/j.cnki.12-1372/e.2018.08.011

中图分类号：TH242

文献标志码：A

文章编号：1674-2192（2018）08-0046-04

VirtualOptimizationofErectionDeviceofCertainSpecial-PurposeVehicle

ZHAOZhongnian1，WANGWenqiang2，LIBo2，LIHongxun2

（1.FifthTeamofCadets，ArmyMilitaryTransportationUniversity，Tianjin300161，China；

2.InstituteofMilitaryTransportation，ArmyMilitaryTransportationUniversity，Tianjin300161，China）

Abstract：Tooptimizetheerectiondeviceofcertainspecial-purposevehicle，thepaperappliesvirtualprototypingtechnologytoestablishasimulationmodel，andperformfiniteelementanalysis（FEA）ofbasicarmandtelescopicarmunderthemostdangerousoperatingsituation，resultinginoptimizationofliftarmstructureonthepremiseofmeetingstrengthandrigidityrequirements，andreasonablereductioninweight.Thismethodcanprovidereferencefordesignandmodificationofphysicalprototypesorothernewproducts.

Keywords：erectiondevice；virtualdesign；structuraloptimization；special-purposevehicle

架设装置是某专用车辆的主要工作机构之一，其工作性能的好坏将直接影响着该专用车辆的整体性能。架设装置的结构比较复杂，在工作过程中伸缩臂是直接起吊载重的构件，伸缩臂与基本臂、伸缩油缸和吊耳销轴各铰接处受力复杂，各部位受力差异较大，有必要对该装置进行结构应力分析。运用有限元分析方法对该机构进行结构分析，可以揭示架设装置在吊装过程中的应力、应变分布规律，从而对所研究的架设装置结构提出改进办法，

为整体机构分析、设计及类似结构的有限元分析研究提供必要的参数和依据。

1

1.1

架设装置建模及有限元分析

架设装置实体建模设计

某专用车辆是用于制式桥梁架设、撤收作业和

专业器材箱吊装作业的车辆，架设装置总成是其进行作业动作的主要机构，主要由基本臂、伸缩臂（基

收稿日期：2018-04-17；修回日期：2018-05-07.作者简介：赵重年（1994—），男，硕士研究生.

2018年8月赵重年等：某专用车辆架设装置的虚拟优化设计47

本臂和伸缩臂合称吊臂）和移动小车3部分组成。根据其主要功能、组成和工作原理，确定架设装置总成各部件的结构方案［1］，由三维实体建模软件的建模模块建立架设装置的三维实体模型［2-3］（如图1所示）。

图1

架设装置总成

1.2结构有限元分析

在三维实体模型建立的基础上，对架设装置基

本臂和伸缩臂进行有限元分析。主要根据基本臂和伸缩臂在架设过程中的受力情况［4］，并由其各自所处的最危险状态，对架设装置基本臂和伸缩臂分别进行有限元分析［5］。基本臂模型共划分为516330个4节点四面体单元、1712个节点，其有限元模型如图2所示；伸缩臂模型共划分为9481个4节点四面体单元、295788个节点，其有限元模型如图3所示。

图2

基本臂有限元模型

图3

伸缩臂有限元模型

从有限元分析结果可以看出，基本臂选用的材料的屈服强度为590MPa，基本臂与变幅油缸铰接的4块支耳耳板材料的屈服强度为903MPa，基本臂在最危险状态时承受的最大应力出现在基本臂与变幅油缸铰接的支耳处，为413.3MPa，小于许用应力［σ］=903/1.5=602MPa（载荷组合为组合Ⅰ，查表得安全系数为1.5），能够满足强度要求，其他部

件的最大应力为239.5MPa，小于其相应材料的许用应力［σ］=590/1.5=393.3MPa。伸缩臂选用材料的屈服强度为590MPa。由前文分析可知，伸缩臂在最危险状态时承受的最大应力出现在伸缩臂与基本臂上导向滑块的接触处，最大应力为234.6MPa，小于许用应力［σ］=590/1.5=393.3MPa，能够满足强度要求。而基本臂和伸缩臂上、下、左、右4块封板处的应力数值偏小，在质量上还有进一步减轻的余地，结构上还可以进一步改进。

2

结构优化设计

架设装置结构的优化设计，以质量为设计指

标，而质量主要决定于截面结构尺寸。由上文对吊臂（基本臂和伸缩臂）的强度分析可知，基本臂和伸缩臂的4块封板处的应力数值偏小。因而，考虑减小吊臂4封板的厚度来进一步减轻整个架设装置的质量，实现对架设装置的结构优化。分别取基本臂和伸缩臂的4块封板的厚度δ1、δ2为设计变量，正应力约束条件、剪应力约束条件、静刚度约束条件、动刚度约束条件为边界条件。

2.1基本臂的优化设计

在有限元结构分析软件中选择优化分析，并分

别在目标函数、约束和设计变量选项中设定基本臂的相应选项（见表1），设迭代次数为8。表2反映了优化设计迭代过程中设计变量、目标函数的变化，并给出了最佳设计。如图4、图5所示分别为目标函数和设计变量随迭代次数的变化过程。由表2可

以看出，最佳设计为：当δ1＝δ2＝7.197mm时，在满足强度和刚度条件下，基本臂的总质量最小，由优化前的2220kg降为2062.519kg，质量共减少

7.09%。为了便于设计加工，将优化变量取为δ1＝δ2＝7.2mm。则优化前后的各项数据对比见表3。优化

后基本臂的变形和应力分布云图如图6所示。

2.2伸缩臂的优化设计

分别在目标函数、约束和设计变量选项中设定

伸缩臂的相应选项（见表4），设迭代次数为8。表5

表1基本臂优化设计参数

设计变量

约束

目标函数

项目δ1/mmδ2/mmσ/MPaf/mmG/kg最小值00（≤左右支602

≤393.3

≤

最大值

8

8

耳处）（其它部

件）

141.61Gmin

48

军事交通学院学报第20卷第8期

表2

基本臂设计变量、目标函数的迭代过程

设计变量

目标函数

次数

δ1/mmδ1/mmG/kgSET08.0008.0002220.000SET17.8617.8612203.563SET27.5577.5572156.075SET37.0967.0962050.513SET47.2357.2352068.299SET5

7.197

7.197

2062.519

图4基本臂目标函数G（质量）的变化过程曲线

图5基本臂设计变量、的变化过程曲线表3

基本臂优化前后的各项数据对比

设计变量

目标函数

项目δ1/mmδ1/mmG/kg初始值8.08.02220优化值

7.2

7.2

2063

图6优化后基本臂等效应力

反映了优化设计迭代过程中设计变量、目标函数的变化，并给出了最佳设计（SET6），如图7、图8所

示分别为目标函数和设计变量随迭代次数的变化过程图。由表5可以看出，最佳设计为：当δ1＝δ2＝

3.913mm时，在满足强度和刚度条件下，伸缩臂的

总质量最小，由优化前的608kg降为512.736kg，质量共减少15.67%。为便于设计加工，将优化变量取整为δ1＝δ2＝4mm。则优化前后的各项数据对比见表6。优化后基本臂的变形和应力分布云图如图9所示。

表4

伸缩臂优化设计参数表

设计变量

约束

目标函数

项目δ1/mmδ2/mmσ/MPaf/mmG/kg最小值00最大值

6

6

≤393.3

≤141.61

Gmin

表5

伸缩臂设计变量、目标函数的迭代过程

设计变量

目标函数

次数

δ1/mmδ1/mmG/kgSET06.0006.000608.000SET15.8435.843601.713SET25.1595.159569.775SET34.2134.213531.315SET43.4653.4696.178SET.0744.074515.669SET6

3.983

3.983

512.736

图7伸缩臂目标函数G（质量）的变化过程曲线

图8

伸缩臂设计变量、的变化过程曲线

2018年8月

赵重年等：某专用车辆架设装置的虚拟优化设计49

表6

伸缩臂优化前后的各项数据对比

设计变量

目标函数

项目δ1/mmδ1/mmG/kg初始值66608优化值

4

4

513

图9

优化后伸缩臂等效应力

2.3优化结果合理性分析

由图6可知，优化后基本臂在最危险状态时承

受的最大应力仍然出现在基本臂与变幅油缸铰接的支耳处，最大应力为412.4MPa，小于许用应力

602MPa，能够满足强度要求，而其他部件上的最大

应力为287.9MPa，小于其相应材料的许用应力

393.3MPa。同时基本臂的4块封板处的应力数值

也有所增加。优化后基本臂的应力分布更加合理，更接近材料的许用应力，因此充分利用了材料。并且，通过优化设计使基本臂在满足强度要求的前提下质量得到进一步减轻，降低了生产成本。

从结构的角度来说，优化后位移变形较大部位仍在基本臂最前端与伸缩臂相接处，而且是此最大位移变形了基本臂的进一步优化。如需再次优化该架设装置以节省材料，可以考虑改变基本臂支耳（变幅油缸上铰点）在基本臂上的布置位置来进一步降低成本。

由图9可知，优化后伸缩臂在最危险状态时承受的最大应力仍然出现在伸缩臂与基本臂上导向滑块的接触处，最大应力为334.8MPa，小于许用应力393.3MPa，能够满足强度要求，因此充分利用了材料。并且，通过优化设计使伸缩臂在满足强度要

求的前提下质量得到进一步减轻，降低了生产成本。同时伸缩臂4块封板处的应力数值也有所增加。从结构的角度来说，优化后应力较大部位仍在伸缩臂与基本臂上导向滑块的接触处。如需再次优化该架设装置以节省材料，可在此布置加强板进行局部加强以进一步降低成本。

3结语

采用三维建模软件对架设装置建立了较准确的、符合工程实际的三维实体模型，并建立了架设装置的有限元分析模型，分别对基本臂和伸缩臂进行有限元分析，得出其应力和形变规律。在此基础

上，建立架设装置的优化设计模型，对架设装置进行结构参数优化设计，使得优化后架设装置的应力分布更加合理，更接近材料的许用应力，因此充分利用了材料。并且，通过优化设计使架设装置在满足强度、刚度要求的前提下质量得到进一步减轻，降低了生产成本。

本文只对基本臂和伸缩臂的封板厚度进行了优化，未做宽、高等方面的优化，可以设定更多的设计变量，从而对架设装置做进一步的改进优化设计。另外，对箱形梁和加强板等的处理方面，还需做进一步的研究探讨。参考文献：

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詹隽青.军用特种车辆结构与设计［M］.北京:国防工业出版社，2003:33.

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薛文斌，李红勋，李立顺，等.某专用车辆工作装置架设过程的动态仿真研究［J］.起重运输机械，2015（4）:76-78.

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李立顺，李红勋，孟祥德，等.某专用车辆架设装置吊臂的模态仿真研究［J］.起重运输机械，2014（10）:53-56.

［5］

李立顺，雷韵鸿，李红勋，等.基于UG的某保障车架设装置的有限元分析［J］.专用汽车，2009（10）:52-.

（编辑：张峰）