農(nóng)業(yè)裝載機械的多領(lǐng)域仿真研究及優(yōu)化

呂云鵬，金鑫君，趙志剛，朱鄭喬若

（衢州職業(yè)技術(shù)學院，浙江 衢州 324000）

1 農(nóng)業(yè)裝載機械的多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真研究

農(nóng)業(yè)裝載機械的設(shè)計仿真過程是集機、電、液、控等多學科交叉和協(xié)同于一體的系統(tǒng)工程，其產(chǎn)品的研發(fā)由一兩種簡單的開發(fā)軟件到多種復雜軟件的綜合應(yīng)用，并且運用到更多的領(lǐng)域中[1-3]。本文提出的“農(nóng)業(yè)裝載機械多領(lǐng)域優(yōu)化設(shè)計平臺”就是基于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化理論和方法來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝載機械數(shù)字化設(shè)計及仿真過程，主要研究的內(nèi)容包括：（1）農(nóng)業(yè)裝載機械多領(lǐng)域系統(tǒng)模型建立技術(shù)；（2）針對裝載設(shè)備多范疇、多束縛和多變量的特點，鉆研基于多范疇優(yōu)化模型并尋求最優(yōu)解；（3）農(nóng)業(yè)裝載機械設(shè)計仿真知識管理技術(shù)，并通過其中某型農(nóng)業(yè)裝載機械——多功能裝載機的數(shù)字化虛擬仿真設(shè)計及優(yōu)化過程驗證本平臺關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容[4]。

2 農(nóng)業(yè)裝載機械多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)

2.1 基于知識導航的農(nóng)業(yè)裝載機械快速模型建立的整體解決方案

本論文將農(nóng)業(yè)裝載機械涉及的多學科知識點包括設(shè)計的案例、手冊、經(jīng)驗以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)等。知識點之間的聯(lián)系主要有蘊含、參考、因果等關(guān)系[5]，在對農(nóng)業(yè)裝載機械建模階段的主要工作是建立裝載設(shè)備的零部件模型（3D模型分析、網(wǎng)格模型、有限元分析模型、控制-機械耦合模型以及機械液壓耦合模型）。首先對典型農(nóng)業(yè)裝載機械-多功能裝載機進行系統(tǒng)整機匹配計算，然后對子系統(tǒng)行走機構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)計算，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計算以及執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)計算，并對關(guān)鍵部件執(zhí)行機構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，在多界面操作下的仿真求解控制作用下，系統(tǒng)將數(shù)字化功能樣機物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)學模型整個農(nóng)業(yè)裝載機械多學科仿真優(yōu)化設(shè)計模型建立過程[6]，見圖1。

2.2 農(nóng)業(yè)裝載機械多領(lǐng)域仿真優(yōu)化模型求解約束協(xié)調(diào)方法

本論文將多領(lǐng)域采用一致的層次化描述統(tǒng)一表達刻畫產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系的關(guān)聯(lián)約束、表征產(chǎn)品領(lǐng)域物理規(guī)則的本構(gòu)約束、關(guān)聯(lián)約束與本構(gòu)約束的基體約束，以及代表離散事件的離散約束，從而將多功能物流設(shè)備設(shè)計與分析問題映射為大規(guī)?；旌霞s束多學科綜合系統(tǒng)的求解問題。但是領(lǐng)域與領(lǐng)域之間的各影響因素都互有干涉，怎樣協(xié)調(diào)各影響因素之間的關(guān)系從而得到最優(yōu)的解決方案，就必須要探索各個模塊之間的耦合關(guān)系，并在各個模塊之間結(jié)合輔助的約束[7]，從而找到各領(lǐng)域之間干涉的平衡點。本論文除了通過考慮各領(lǐng)域之間的平衡點，從而設(shè)計出該系統(tǒng)環(huán)境下的最優(yōu)解，還以全局的綜合滿意度為目的來確定平衡點。

2.3 基于知識的農(nóng)業(yè)裝載機械多領(lǐng)域仿真優(yōu)化設(shè)計過程管理技術(shù)

2.3.1 農(nóng)業(yè)裝載機械仿真和設(shè)計分析知識庫

農(nóng)業(yè)裝載機械的研發(fā)是一個多領(lǐng)域的綜合設(shè)計，因此有必要對仿真中的各種分析方案、重要性能參數(shù)、模型及方法、經(jīng)驗及規(guī)則、規(guī)范及標準、仿真實例及模板等方面的知識進行管理并有效運用。根據(jù)其設(shè)計過程，需要具備的知識庫包括：（1）農(nóng)業(yè)裝載機械典型零件基礎(chǔ)知識庫；（2）機-液-控各領(lǐng)域及集成仿真知識庫；（3）有限元仿真知識庫。

2.3.2 基于知識的農(nóng)業(yè)裝載機械仿真優(yōu)化設(shè)計過程管理

農(nóng)業(yè)裝載機械的仿真，首先根據(jù)實際的工作流程，運用菜單中圖形化的方式建立工作流，并將之保存為工作模板，然后通過相對應(yīng)的措施來運行工作流并進行監(jiān)控。通過這一模型，可以根據(jù)目標調(diào)動任務(wù)所需的資源和信息，將各個任務(wù)有序地運轉(zhuǎn)起來，并提供強有力的監(jiān)管體系，見圖2，為仿真過程管理流程。

3 應(yīng)用實例

本論文研究成果在浙江某工程機械制造公司的農(nóng)業(yè)裝載機械的設(shè)計制造過程中進行了初步應(yīng)用，實現(xiàn)了多功能裝載機系統(tǒng)參數(shù)匹配求解，根據(jù)裝載機設(shè)計需求，完成裝載機設(shè)計過程重要參數(shù)自動計算；多功能裝載機執(zhí)行機構(gòu)作為多功能裝載機最為重要的部件，需要改變的參數(shù)比較多，因此本系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了裝載機CAD模型的自動生成及關(guān)鍵部件編輯以及裝載機執(zhí)行機構(gòu)模型的自動生成：這部分的功能主要通過Pro/Engineer軟件二次開發(fā)而成，自動生成裝載機裝配模型，并交互完成裝載機關(guān)鍵部件參數(shù)修改。

多功能裝載機典型工況的交互建立及仿真：主要通過ADAMS2005二次開發(fā)而成，交互生成多功能裝載機的機械與液壓耦合虛擬仿真模型，交互添加仿真步驟，自動添加仿真約束，自動求解，得到典型工況下，執(zhí)行機構(gòu)的如油缸的壓力實時變化等；多功能裝載機系統(tǒng)動態(tài)及機電控制耦合仿真系建立，在Matlab2009環(huán)境下完成：利用GUI首先根據(jù)設(shè)計需求對多功能裝載機進行參數(shù)計算；通過裝載機參數(shù)可以建立裝載機的CAD模型，并通過專門接口生成xml仿真模型，該模型可以進行后續(xù)機構(gòu)控制耦合仿真模型；研究裝載機執(zhí)行機構(gòu)，行走機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并用simulink構(gòu)建各個分系統(tǒng)仿真模型，采用GUI調(diào)用各個分系統(tǒng)仿真模型，并進行相關(guān)仿真測試，得到各個系統(tǒng)仿真動態(tài)階躍響應(yīng)曲線。如圖3所示，為裝載機起重臂的仿真模型。

根據(jù)裝載機物理模型和運動模型的分析，采取基于I sight平臺實現(xiàn)裝載機執(zhí)行機構(gòu)的多學科優(yōu)化設(shè)計計算，并集成以下四大通用軟件的相關(guān)功能按以下步驟實現(xiàn)多領(lǐng)域優(yōu)化過程的實現(xiàn)，如圖4所示。

（1）在Pro/Engineer軟件中實現(xiàn)實體三維參數(shù)化建模及模型編輯；（2）在ADAMS中建立機械液壓耦合動力學仿真模型，實現(xiàn)在液壓驅(qū)動條件下裝載機各個關(guān)鍵部件實時動力學分析；（3）在ANSYS中導入由ADAMS建立的機構(gòu)柔性體文件并調(diào)入ADAMS的連接點載荷文件進行靜力學分析，得到裝載機執(zhí)行過程的結(jié)構(gòu)靜力學分析狀態(tài)和模態(tài)分析結(jié)果；（4）在MATLAB中建立裝載機機械，液壓，控制耦合仿真模型，對不同控制方法分別對裝載機執(zhí)行機構(gòu)，行走機構(gòu)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)等子系統(tǒng)性能進行分析；（5）采用Isight集成多學科仿真優(yōu)化設(shè)計工具，對其中的子系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

如圖5所示，在對多功能裝載機執(zhí)行機構(gòu)大臂進行優(yōu)化設(shè)計時，在滿足需用應(yīng)力355 Mpa的前提下，裝載機執(zhí)行機構(gòu)的質(zhì)量減少了11.84%，其大臂的各個數(shù)值的取值都在需用范圍內(nèi)，這在一定程度上滿足了設(shè)計要求。

滿足需用應(yīng)力335Mpa的前下，裝載機執(zhí)行機構(gòu)的質(zhì)量減少

11.84 %，各個數(shù)值的取值都在需用范圍內(nèi)，這在一定程度上滿足了設(shè)計的要求

4 小結(jié)

本論文研究成果在某品牌小型農(nóng)業(yè)多功能裝載機的設(shè)計制造過程中進行了初步應(yīng)用，所開發(fā)的各系統(tǒng)目前完成開發(fā)、測試和集成。系統(tǒng)基于事物特性表技術(shù)，有效地實現(xiàn)了裝載機各個系統(tǒng)的參數(shù)匹配計算，各個分系統(tǒng)的數(shù)學建模及仿真模型的建立，并對各個分系統(tǒng)進行性能仿真分析，為設(shè)計過程提供參考，最后對仿真過程進行集成，可以更加高效地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)多功能裝載機仿真過程的實施和管理。