基于虚拟样机的JH180型挖掘机工作装置分析及优化

摘要

根据《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》国家战略部署，国家基础工程、战略工程建设进入新的高潮。挖掘机作为重要的工程机械，其性能优劣对工程效率具有重要影响。JH180型挖掘机是同等功率下装载量最大，挖掘高度和挖掘深度最大的中型反铲式液压挖掘机，市场调研发现该型号挖掘机存在面对复杂工况能耗较高，挖掘路径不能充分利用挖掘力的问题。因此，对该型号挖掘机展开性能分析和优化设计具有重要的理论和实践价值。
　　本文以JH180型反铲式液压挖掘机为研究对象，运用遗传算法对工作装置进行了结构优化，采用虚拟样机技术对优化前后的工作装置进行了仿真分析对比。主要做了以下方面的研究：
　　（1）建立了JH180挖掘机工作装置的三维模型。分析了工作装置各部件的相对运动及极限工况下能耗情况。运用D-H方法进行了运动学分析，求解了关键铰点的运动学表达式。通过动力学分析，得到了作业时工作装置的动力学方程。推导了工作过程中挖掘力、油缸推力以及挖掘阻力等力学计算公式。
　　（2）将工作装置关键铰点位置作为优化变量，铲斗挖掘力和斗杆挖掘力作为目标函数，为降低标准遗传算法中欺骗问题对优化结果造成的影响，采用基于权重系数以及在适应度函数中添加罚函数的方式对算法进行了改进，将工作装置多约束多目标优化问题转为附带考虑惩罚的非约束优化问题。通过MATLAB算法工具箱对目标函数进行优化求解，建立了优化后的工作装置模型，为进一步展开性能分析奠定了基础。
　　（3）通过ADAMS软件对优化前后的工作装置进行了运动学分析与动力学分析，仿真结果表明优化后的工作装置最大挖掘半径提高了1.5%，最大挖掘高度提升了1.4%，铲斗油缸最大推力提高了6.9%，斗杆油缸最大推力提高了1.4%，铲斗挖掘力提高了6.1%，斗杆挖掘力提高了5.8%，整体挖掘性能得到明显改善。
　　（4）运用ANSYS软件对优化前后的工作装置进行了静力学分析，优化后各部件在同样载荷下的应力、应变均明显降低，结构强度得到提高。模态分析表明工作装置不会因发动机震动产生共振现象。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 虚拟样机技术发展状况

1.4 本文的主要研究内容

2 JH180型液压挖掘机工作装置建模及其性能分析

2.1 引言

2.2 工作装置三维模型

2.3 工作装置挖掘过程及能耗分析

2.4 工作装置受力分析

2.5 工作装置运动学模型

2.6 本章小结

3 基于改进遗传算法的JH180挖掘机工作装置优化设计

3.1 引言

3.2 遗传算法理论

3.3 基于改进遗传算法的工作装置优化

3.4 本章小结

4 基于ADAMS的工作装置运动学及动力学分析

4.1 工作装置ADAMS建模

4.2 工作装置运动学分析

4.3 工作装置动力学分析

4.4 本章小结

5 基于ANSYS的工作装置静力学及模态分析

5.1 基于ANSYS的工作装置力学分析

5.2 基于ANSYS的工作装置模态分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果

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