农业装载机械的多领域仿真研究及优化

吕云鹏，金鑫君，赵志刚，朱郑乔若

（衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000）

1 农业装载机械的多领域系统仿真研究

农业装载机械的设计仿真过程是集机、电、液、控等多学科交叉和协同于一体的系统工程，其产品的研发由一两种简单的开发软件到多种复杂软件的综合应用，并且运用到更多的领域中[1-3]。本文提出的“农业装载机械多领域优化设计平台”就是基于多领域物理系统协同优化理论和方法来实现农业装载机械数字化设计及仿真过程，主要研究的内容包括：（1）农业装载机械多领域系统模型建立技术；（2）针对装载设备多范畴、多束缚和多变量的特点，钻研基于多范畴优化模型并寻求最优解；（3）农业装载机械设计仿真知识管理技术，并通过其中某型农业装载机械——多功能装载机的数字化虚拟仿真设计及优化过程验证本平台关键技术内容[4]。

2 农业装载机械多领域系统仿真优化设计平台关键技术研究及实现

2.1 基于知识导航的农业装载机械快速模型建立的整体解决方案

本论文将农业装载机械涉及的多学科知识点包括设计的案例、手册、经验以及产品的结构和数据等。知识点之间的联系主要有蕴含、参考、因果等关系[5]，在对农业装载机械建模阶段的主要工作是建立装载设备的零部件模型（3D模型分析、网格模型、有限元分析模型、控制-机械耦合模型以及机械液压耦合模型）。首先对典型农业装载机械-多功能装载机进行系统整机匹配计算，然后对子系统行走机构系统参数计算，转向系统计算以及执行机构系统计算，并对关键部件执行机构进行参数化设计，在多界面操作下的仿真求解控制作用下，系统将数字化功能样机物理模型转换成数学模型整个农业装载机械多学科仿真优化设计模型建立过程[6]，见图1。

2.2 农业装载机械多领域仿真优化模型求解约束协调方法

本论文将多领域采用一致的层次化描述统一表达刻画产品结构关系的关联约束、表征产品领域物理规则的本构约束、关联约束与本构约束的基体约束，以及代表离散事件的离散约束，从而将多功能物流设备设计与分析问题映射为大规模混合约束多学科综合系统的求解问题。但是领域与领域之间的各影响因素都互有干涉，怎样协调各影响因素之间的关系从而得到最优的解决方案，就必须要探索各个模块之间的耦合关系，并在各个模块之间结合辅助的约束[7]，从而找到各领域之间干涉的平衡点。本论文除了通过考虑各领域之间的平衡点，从而设计出该系统环境下的最优解，还以全局的综合满意度为目的来确定平衡点。

2.3 基于知识的农业装载机械多领域仿真优化设计过程管理技术

2.3.1 农业装载机械仿真和设计分析知识库

农业装载机械的研发是一个多领域的综合设计，因此有必要对仿真中的各种分析方案、重要性能参数、模型及方法、经验及规则、规范及标准、仿真实例及模板等方面的知识进行管理并有效运用。根据其设计过程，需要具备的知识库包括：（1）农业装载机械典型零件基础知识库；（2）机-液-控各领域及集成仿真知识库；（3）有限元仿真知识库。

2.3.2 基于知识的农业装载机械仿真优化设计过程管理

农业装载机械的仿真，首先根据实际的工作流程，运用菜单中图形化的方式建立工作流，并将之保存为工作模板，然后通过相对应的措施来运行工作流并进行监控。通过这一模型，可以根据目标调动任务所需的资源和信息，将各个任务有序地运转起来，并提供强有力的监管体系，见图2，为仿真过程管理流程。

3 应用实例

本论文研究成果在浙江某工程机械制造公司的农业装载机械的设计制造过程中进行了初步应用，实现了多功能装载机系统参数匹配求解，根据装载机设计需求，完成装载机设计过程重要参数自动计算；多功能装载机执行机构作为多功能装载机最为重要的部件，需要改变的参数比较多，因此本系统平台实现了装载机CAD模型的自动生成及关键部件编辑以及装载机执行机构模型的自动生成：这部分的功能主要通过Pro/Engineer软件二次开发而成，自动生成装载机装配模型，并交互完成装载机关键部件参数修改。

多功能装载机典型工况的交互建立及仿真：主要通过ADAMS2005二次开发而成，交互生成多功能装载机的机械与液压耦合虚拟仿真模型，交互添加仿真步骤，自动添加仿真约束，自动求解，得到典型工况下，执行机构的如油缸的压力实时变化等；多功能装载机系统动态及机电控制耦合仿真系建立，在Matlab2009环境下完成：利用GUI首先根据设计需求对多功能装载机进行参数计算；通过装载机参数可以建立装载机的CAD模型，并通过专门接口生成xml仿真模型，该模型可以进行后续机构控制耦合仿真模型；研究装载机执行机构，行走机构，转向机构系统传递函数，并用simulink构建各个分系统仿真模型，采用GUI调用各个分系统仿真模型，并进行相关仿真测试，得到各个系统仿真动态阶跃响应曲线。如图3所示，为装载机起重臂的仿真模型。

根据装载机物理模型和运动模型的分析，采取基于I sight平台实现装载机执行机构的多学科优化设计计算，并集成以下四大通用软件的相关功能按以下步骤实现多领域优化过程的实现，如图4所示。

（1）在Pro/Engineer软件中实现实体三维参数化建模及模型编辑；（2）在ADAMS中建立机械液压耦合动力学仿真模型，实现在液压驱动条件下装载机各个关键部件实时动力学分析；（3）在ANSYS中导入由ADAMS建立的机构柔性体文件并调入ADAMS的连接点载荷文件进行静力学分析，得到装载机执行过程的结构静力学分析状态和模态分析结果；（4）在MATLAB中建立装载机机械，液压，控制耦合仿真模型，对不同控制方法分别对装载机执行机构，行走机构，转向机构等子系统性能进行分析；（5）采用Isight集成多学科仿真优化设计工具，对其中的子系统进行优化设计。

如图5所示，在对多功能装载机执行机构大臂进行优化设计时，在满足需用应力355 Mpa的前提下，装载机执行机构的质量减少了11.84%，其大臂的各个数值的取值都在需用范围内，这在一定程度上满足了设计要求。

满足需用应力335Mpa的前下，装载机执行机构的质量减少

11.84 %，各个数值的取值都在需用范围内，这在一定程度上满足了设计的要求

4 小结

本论文研究成果在某品牌小型农业多功能装载机的设计制造过程中进行了初步应用，所开发的各系统目前完成开发、测试和集成。系统基于事物特性表技术，有效地实现了装载机各个系统的参数匹配计算，各个分系统的数学建模及仿真模型的建立，并对各个分系统进行性能仿真分析，为设计过程提供参考，最后对仿真过程进行集成，可以更加高效地实现农业多功能装载机仿真过程的实施和管理。