基于DOE方法的液壓挖掘機斗桿優化設計

莊攀，楊良德

(常德達門船舶有限公司，湖南 常德415700）

0 引 言

選取斗桿參數化模型中主要設計參數作為結構輕量化設計的優化變量, 利用優化軟件OptiSLang對結構進行優化設計。以斗桿總質量最小為優化目標,在保證結構具有足夠剛度和強度的條件下,尋求最優設計方案,使斗桿整體箱型結構具有最佳承載能力。

1 DOE設計方法

圖1 某型液壓挖掘機斗桿結構圖

DOE (Design of Experiment) 設計方法是基于過程優化環節，分析輸入與輸出參數之間的變化關系，辨識諸多參數中的關鍵因子，確定最佳參數組合，為后續進行結構優化設計與結構強度優化等提供有效的技術分析方法。

2 建立參數化模型

基于Pro/E創建參數化模型，對諸多部件進行完整定義，輸入各部件之間關系式和對應的參數，模型中所有尺寸直接由定義的參數來控制，參數設計時要充分考慮分析模型后續更新以及零部件之間的干涉情況。參數化模型創建完成后可以直接使用已提前定義的參數對模型進行修改更新，可以方便、有效地進行結構強度優化和拓撲優化分析。分析前當Pro/E與ANSYS Workbench之間數據傳遞時，參數化模型首次導入ANSYS Workbench后可以直接對模型進行尺寸控制。Pro/E中建立好的全參數化斗桿模型與參數關系式如圖2、圖3所示。

圖2 液壓挖掘機斗桿全參數化模型

圖3 斗桿模型參數與關系式

3 斗桿DOE優化設計

3.1 輸入變量值

本文以液壓挖掘機工作裝置主要運動部件斗桿箱體結構作為研究對象，斗桿一般是由鋼板焊接而成的箱型結構, 在斗桿箱體DOE優化時，充分考慮箱體內肋板在斗桿回轉時承受彎扭作用，因此斗桿內肋板的合理設計對斗桿整體箱型強度有非常重要的作用。

參數設計時，斗桿主要的輸入參數變量有內肋板板厚hou、斗桿后支座中心與內肋板連線與水平方向角度jiaodu、內肋板與水平方向

角 度jiaodu2，主要參數示意如圖4 所示。定義各主要參數變量的取值區間，如表1所示。

圖4 斗桿內肋板參數示意圖

表1 斗桿內肋板參數取值區間

3.2 輸出參數設置

基于DOE 設計方法的斗桿優化設計，以保證斗桿最佳力學性能即足夠的強度和剛度，優化斗桿總質量為目標。因此，分析中合理設置目標監測位置，斗桿內肋板關鍵控制點的等效應力P6，斗桿等效應力較大區域P4、P5，以及斗桿總質量P7作為此次優化目標，并取相應位置的最大等效應力與總質量作為響應輸出參數。通過對輸入和輸出參數之間變量正交計算與結果對比分析，得出參數間影響及變化規律。輸出目標位置監測點及最大等效應力參數定義如圖5所示。

圖5 目標位置監測點設置

3.3 DOE分析加載與結果分析

采用ANSYS Workbench中響應曲面優化與目標驅動優化模塊，以斗桿內肋板關鍵參數為輸入變量，通過DOE正交數組方法設計輸入變量，根據實際姿態工況，設定約束條件，施加工作載荷，以斗桿等效應力、等效位移和斗桿質量為設計目標，對斗桿進行上述姿態靜應力計算分析，探討斗桿內肋板參數因子對斗桿力學性能及總質量的影響和變化規律。通過正交組共計15個點位抽樣連續計算，得到相應的計算結果，如表2所示。

表2 DOE正交數組設計點計算結果

通過DOE數組分析的靈敏度分析查看輸入參數變量對輸出相應參數的影響程度。圖6直接顯示3個設計參數和4個輸出參數之間的靈敏度情況，即jiaodu2對zhofuban影響很大，而其他兩個參數對其影響很??；jiaodu對shyiban影響很大，而厚度對其影響很??；jiaodu對leiban影響很大，而厚度對其影響很??；jiaodu2對總質量P7影響很大，而角度對其影響較小。由此可知，支座中心與內肋板連線水平角度jiaodu、內肋板水平角度jiaodu2對斗桿與內肋板等效應力影響程度最為明顯，內肋板水平角度jiaodu2對斗桿總質量影響程度最為明顯。

由圖7（a）可知，隨著jiaodu值增加至55°時，zhofuban應力值逐漸減小，呈負相關性，當jiaodu值由55°增加至70°時，zhofuban應力值逐漸增大。由圖7（b）可知，隨著jiaodu值增加，shyiban應力值逐漸增加，兩者呈正相關性。由圖7（c）可知，隨著jiaodu2增加至55°時，shyiban應力值逐漸增大，呈正相關性，當jiaodu2由55°增加至70°時，shyiban 應 力 值 逐 漸 減小。由圖7（d）可知，隨著jiaodu增加至60°時，leiban應力值逐漸減大，呈正相關性，當jiaodu繼續增加時，leiban應力值減小。

圖6 輸入參數敏感度分析結果

圖7 變量間二維響應曲線圖

根據以上分析，進一步對內肋板的最優位置與厚度進行篩選，分析時以斗桿箱型體關鍵部位的應力值作為優化目標，即斗桿內肋板和中腹板等效應力值小于設置目標值，斗桿總質量最小化。根據要求設置各響應參數的重要級別，得到內肋板的最佳位置，通過計算優化篩選出3組最符合優化條件的候選組合，如圖8所示。

圖8 斗桿優化候選設計組合

其中，組合A相比于組合B、C，內肋板等效應力值明顯偏低，且其他分析結果基本相同，因此組合A更適合作為最佳優化結果。分析結果表明，斗桿在滿足力學性能的前提下，通過對參數設置重要度對斗桿整體進行優化，使斗桿的結構強度達到最佳水平。

4 結語

本文以挖掘機斗桿為研究對象，采用DOE(Design of Experiment)設計方法，分析各組成參數因子對斗桿整體力學性能及自重的影響及變化規律，獲得設計候選組合，通過ANSYS Workbench目標驅動優化模塊，篩選斗桿各組成參數最佳組合值，保證斗桿足夠強度和剛度的條件下，實現斗桿優化設計的最優方案，本文采用的設計方法與優化思路對工程機械結構優化設計提供技術參考。