液压模块式组合半挂车转向机构优化设计平台的开发.docx

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液压模块式组合半挂车转向机构优化设计平台的开发

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（武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070

…≯”呷

摘蒌:

研究磁了液压模块式组合半挂车转向机构的优化设计平台,介绍了平台总体方案设计和优化设计平台具体实现.最后剩用该平台对典型车辆转向机构进行参数化优化设计,得到较好结果。

+

关键谰:

优化设计平台;液压模块式组合半挂车;参数化

中圈分类号:

TP39U463.4文献标识码:

B文章编号:

1009—9492（201002-0069-04

1前言

目前国外对液压模块式组合半挂车研究相当成熟,相

应的手段和方法也比较成熟。

国内企业对液压模块式组合

半挂车的设计仍主要以经验设计和模仿设计为主,没有先

进的理论和工具作为支持.严重影响企业自主研发能力。

虽然文献[1]、[2]利用ADAMS进行交互式优化设计,

或者针对具体车型直接编程对传统多轴转向车辆进行优化

研究.但没有形成系统的优化设计平台。

由于液压模块式

组合半挂车拼车轴线数通常在3—32轴线之间。

与传统的

多轴线车辆转向设计不同.若没有先进、实用和高效的优

化设计平台作为设计工具。

仍难以实现真正意义上的自主

设计目标。

因此,作者在文献[3]建立了任意轴线下液

压模块式组合半挂车转向系统优化设计模型,并对典型两

路侧向安置车辆转向机构进行参数化建模和优化设计,得

到比较好的效果。

本文在该模型的基础上,开发了基于虚

拟样机技术的液压模块式组合半挂车优化设计平台。

该平

台可以在参数化仿真的基础上对多种拼接条件下车辆换位

孔的位置进行优化设计。

为企业提供有效的设计工具,提

高产品设计的自动化程度。

2平台总体方案设计

2.1总体目标

该平台要求系统所采用的转向机构优化设计理论和方

法要具有良好的先进性和实用性,计算速度快。

功能上。

要求能实现轴线组合范围内任意轴线下各拼车方案转向机

构的参数化建模。

并能进行模型的参数化修改;设计新的

轴线数组合时。

能通过调整参数对转向拉杆的位置重新布

收稿日期:

2009棚一30.‘岛.‘。

鹗

置,并对调整后的结构进行仿真分析;能对组合范围内任意轴线拼车方案下转向拉杆换位孔的位置进行优化设计.保证各轮尽可能在转向过程中接近纯滚动;优化设计时.要求转向拉杆长度不变,并能对换位孔的可变动空间加以限制;同时要求系统具备转向系统动态仿真功能.能计算出各轮所需的理论转角、特定转向机构布置下的各轮实际转角以及理论转角和实际转角的差值,给出各换位孔的优化设计结果。

设计平台上,要求在Windows操作系统上利用ADAMS进行二次开发,所编制的代码具备独立的知识产权,不能影响原ADAMS系统的正常运行,也不能对其功能、可操作性和使用环境有不良的影响。

界面上,要求界面友好,操作方便和可扩充性强。

优化结果可视化程度高。

2.2优化理论

组合半挂车的转向机构用来保证汽车转向时,各车轮尽可能作纯滚动。

而实际转向时,各轴车轮不能实现纯滚动。

因此,优化设计的主要目的是实现各转向拉杆的最佳布置,使车轮在各种拼车方案下尽可能接近纯滚动。

系统中以各轴车轮理论转角和实际转角加权偏差绝对值均值最小为优化目标进行转向拉杆换位孔位置的优化设计。

针对n轴线车辆,设m表示计算涉及到的轴线数。

当n分别为偶数或奇数时,m分别取n/2和（n—1/2。

设.正（X（i=1,2,…,2m—1最小为优化目标,引入权函数k（i=1,2,…,2m—1,取k=l（i--1,2,…,2m—1,设A0;为第i个车轮的转角偏差,∞（B。

为加权系数。

任意轴线下目标函数的统一表达式为:

（磊;釜些堡皇竺l墨I昼口留墨l四匝E害量冒E圈

厂（x=∑Az（x=∑口坩哗I∞（屈△只I=,IlJll

2m—l、

averageI缈（届∑IAe,l|

用整体坐标（孙,%和（粕,强分别表示第i（i=1,2,3,…,m根拉杆的前端连接点和后端连接点位置,用局部坐标吼表示该拉杆轴线与菇轴的夹角,f{为第i根拉杆的长度。

规定水平右起逆时针方向夹角为正.顺时针方向夹角为负。

则有:

粕2髫—_fIcos‘P。

蛳2y.+l,sinqi,i=1,2,3,…,m。

将各拉杆的前端连接点的整体坐标和其轴线与茹轴夹角的局部坐标选为优化设计变量.可使优化设计变量数减少三分之一,且满足杆长不变的几何约束条件,不需额外杆长约束。

转向机构优化设计变量为:

X=（龙l,茗2,戈3,…,茗一‘。

={‰I,知1,‘Pl,,铆,,讧,‘P2,…,】:

",‰,‘Pm}’（1式（1中变量变化范围为:

%陆≤孙≤茗m,强m≤,和≤戈细,‘Phh≤‘Pi≤‘P自m

i=1,2,3,…,m。

2.3功能结构设计

根据液压模块式组合挂车设计的要求.平台的主要功能模块包括模型建立模块、模型修改模块、模型仿真模块、优化设计模块和结果输出模块,如图1所示。

模型建立模块要求对不同结构尺寸参数、不同轴线和拼接形式下

图1优化设计系统功能结构图

的转向机构进行仿真分析和优化设计。

因此,在设计建模功能时,必须实现参数化建模。

模型修改模块可实现对在模型建立环节中建好的模型或建模完成后通过仿真环节仿真后的模型进行修改。

组合挂车转向拉杆连接点坐标参数随着拼接的模块数目的增多而增多.设计人员在对转向拉杆的布置进行设计时要反复修改这些参数.如果每次重新建模或在模型建立环节中修改,容易导致参数数据出错甚至出现混乱,从而使设计周期延长。

效率降低。

而模型修改功能可方便设计人员对当前参数数值进行修改.因此可缩短设计时间,减少出错机率,提高设计效率。

模型建立完成并确认无误后即可进行仿真分析,设计人员可以根据需要来设置仿真时间和仿真步数.从而得到不同的图表结果,包括各轮理论转角、实际转角以及理论转角和实际转角的差值。

也可实现转向机构的动态仿真显示。

仿真结束后便可以使用优化设计模块进行优化。

优化完成后可以通过结果显示功能得到分析和设计结果。

结果显示包括数据和图表。

2.4系统流程设计

组合半挂车转向机构优化设计系统运行流程如图2所示。

系统根据用户选择的拼接形式和各转向拉杆设计参数,从数字模型库中调用所需的数字模型并对其进行参数化建模,自动产生转向机构虚拟样机的初始设计。

接着对其进行初步仿真,检查模型的有效性。

如果初始设计仿真效果较差,可进入模型修改环节对某些参数进行修改。

直到仿真效果满意为止。

如果初始设计仿真效果较好,即可进行优化设计。

在优化设计中,首先要建立优化模型,这包括设计变量和约束条件的设置,然后选择合适的优化算法和迭代次数等。

最后开始计算。

当优化结果差。

有时甚至优化失败时,应对模型参数进行修改至优化结果满意为止。

最后输出优化设计结果。

图2系统运行流程图

l墨I暑a宙目I窭蜀臣譬l口昌圈

型堕些堡≤力

3优化平台的具体实现

3.1菜单设计

菜单是软件界面系统中的一种基本形式.几乎所有的系统都包含菜单界面。

菜单的使用既方便组合半挂车设计人员对程序的调用。

又便于系统开发人员将各项功能、命令或操作有机地组织起来。

菜单设计的好坏直接影响着模块的使用质量,因此系统菜单的设计要满足以下要求:

（1菜单的设计要便于学习,掌握软件功能所花时间的长短对软件的推广和应用都将产生深远的影响.因此在菜单设计上应尽量使用户容易学习并掌握;

（2菜单的设计

要便于操作,良好的操作性可以有效地降低操作失误率.提高设计结果的准确度并缩短设计周期;

（3菜单的设

计要便于记忆,能够使用户在间隔一段时间不使用该模块后,一旦接触。

就能很快的回忆起各个交互操作;

（4菜单

的设计要便于系统提高速度.对于ADAMS软件.其系统复杂.调用的子系统也很多.因此在模块菜单设计时对子系统采用即用即

调的方法.尽量

增的菜单保持了原有界面的完整性,视觉效果上也显得简

明直观.使用起来也比较方便快捷。

3.2对话框设计

对话框是目前最流行的人机交互界面。

它支持以鼠标为代表的输入设备,向用户提供图形与文本并存的可视化环境.使用户在使用软件系统时操作更为简便。

ADAMS提供了专用的对话框定制工具（CustomGUI供用户设计符合自身需要的对话框。

专用模块的对话框即采用CustomGUI设计。

利用ADAMS菜单工具加载对话框。

由于对话框主要承担参数输入、仿真环境设置以及优化分析等多种任务,几乎所有功能的执行,都需要设计人员与对话框进行交流。

因此对话框的设计需要布局合理、操作方便、便于学习。

避免一次性全部图4建模对话框参数输入界面

调入。

这对整个

大系统的运行速度和稳定性有很大的好处。

系统采用下拉式菜单形式。

根据总体方案,该下拉式菜单的主菜单包括建模、模型修改、仿真、优化设计、优化结果显示和图形输出等主要菜单项。

同时,为了减小内存占用,优化设计系统运行之初需要初始化加载,初始化

图3下拉式菜单

加载过程只需在模块运行前操作一次而不用反复进行。

因此。

在设计菜单时将初始化加载选项置于最底层,可以有效减少误操作引起的错误。

下拉式菜单如图

3.

“Assembledtrail.

el"”即为所开发的系统的主菜单。

考虑到

模型选择对话框用于轴线及拼车方案选取。

建模和模型修改对话框以及结果显示对话框的风格相统一。

为了便于设计人员正确输入参数值.还在对话框界面上给出了转向拉杆连接点示意图,如图4所示。

建模对话框中默认数据为缺省值,模型修改对话框中出现数据为当前参数。

优

专用系统的菜单不能破坏原有系统的任何功能,因此除了增加的专用菜单外,还保留ADAMS原有的各项菜单。

新

图5

优化设计参数设置对话框

（苞釜些堡皇竺E墨I詈墨宙墨l雹墨墨善趸冒E圈图61纵队24轴线拼接

图74种典型拼接形式各轮优化前后转角差值

化设计对话框如图5。

设计人员在调用优化设计对话框进行优化设计时,对话框中会出现优化设计变量初值及其可调整范围的上下限值。

输入所需参数值后可开始优化。

4应用实例

利用该平台对典型1纵队6、7、12和24轴线数纵拼液压模块式组合半挂车进行了优化分析。

以某车型的参考数据进行建模,车辆轴距L=1500mm,轮距B=1775mm,最大允许偏转角为60'。

其中24轴线仿真模型如图6所示。

4种典型车辆孔位优化结果如表l所示。

可以看出,各轴线目标函数显著降低,最高降幅达38.40%,转向性能有较大改善。

图7（a~（d为转向机构优化前后各轮转角偏差绝对值的对比图。

容易看出,各轴车轮转角偏差的绝对值优化后明显减小。

因此,优化取得了很好的效果。

5结束语

使用表明.该设计平台通用性强、使用方便、运行速度快、计算可靠、可扩充性强。

该平台可供企业设计人员单机使用,可大幅提升企业自主研发能力。

参考文献:

[1]田增,李海鸥,田宏.基于MATLAB多轴挂车转向机构优化设计[J].机械设计与研究,2006（1:

97—100.

[2]刘从华,赵斌,高秀华,等.多轴线转向车辆转向机构优化设计【J].农业工程学报,2007（9:

81—85.

[3】邓小禾,马力,乔媛媛.液压模块式组合半挂车转向系统优化设计[J].专用汽车,2009（9:

46—48.

第一作者简介:

生。

研究领域:

邓小禾,女,1986年生,湖北广水人。

硕士研究汽车CAD/CAE。

（编辑:

向飞’。

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……---●……

1...一一

:

史正

:

我刊2009年第12期刊登的《基于GSK980TA:

数控系统工件坐标系的建立与刀具补偿》一文,作!

者及单位应为:

黄忠1一,陈忠家-（1.合肥工业大学:

材料科学与工程学院,安徽合肥230009;2.安徽经:

济技术学校,安徽合肥230031。

特此更正。

●

液压模块式组合半挂车转向机构优化设计平台的开发

作者:

邓小禾,马力,乔媛媛

作者单位:

武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉,430070

刊名:

机电工程技术

英文刊名:

MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGTECHNOLOGY

年,卷（期:

2010,39（2

引用次数:

0次

参考文献（3条

1.田增,李海鹏,田宏.基于MATLAB多轴挂车转向机构优化设计[J].机械设计与研究,2006（1:

97-100.

2.刘从华,赵斌,高秀华,等.多轴线转向车辆转向机构优化设计[J].农业工程学报,2007（9:

81-85.

3.邓小禾,马力,乔媛媛.液压模块式组合半挂车转向系统优化设计[J].专用汽车,2009（9:

46-48.

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2010年5月21日