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技术论文

拖拉机伸缩臂起重机的设计与结构优化

H. Kursat Celik，Allan E. W. Rennie，Ibrahim Akinci

摘要：本文介绍了一种可用于农业机械计算机辅助设计/工程（CAD/CAE）和基于结构优化的设计研究的应用算法。此算法已应用于拖拉机伸缩臂起重机的实例研究中。此算法由数值方法和实验方法组成，包括材料测试、三维计算机辅助设计和基于有限元法的分析程序、结构优化策略、物理原型、物理测试和设计验证程序。根据案例研究中执行的视觉和物理验证程序，制造了起重机的物理原型，并批准了优化设计用于持续生产。该研究为类似产品提供了独特的CAD/CAE和实验驱动的总体设计路径，有助于进一步研究工程模拟技术在农业机械设计、分析和相关制造主题中的应用。

关键词：农业机械设计，计算机辅助设计，计算机辅助工程，结构优化。

1．引言

根据美国工程技术认证委员会的说法，“工程设计”是设计满足所需需求的系统，组件或过程的过程。这是一个决策过程（通常是迭代的），其中应用基础科学、数学和工程科学来优化资源转换，以达到既定目标[1,2]。换句话说，设计就是创造一种新的产品，在某种程度上转化为利润和社会效益。然而，设计是特定过程的总和，其步骤可以根据设计目标和产品进行定制。它包括需求评估、问题制定、抽象与综合、分析与实现等常见的主要阶段。事实上，在传统的设计过程中，设计师经常要重复相同的步骤很多次，这就是为什么设计在本质上被描述为高度迭代的原因[3]。在这种情况下，实施CAD/CAE技术有助于缩短重复的步骤，并有助于提高产品设计过程的效率[4]。自20世纪50年代以来，机械设计工程一直在通过应用CAD/CAE进行改进[5]。毫无疑问，CAD/CAE驱动的产品设计策略可以为农业工具和机械系统的设计提供好处[6]，事实上，相对而言，土耳其的农业机械设计和制造业还没有完全接受这种先进技术的开发。在土耳其，为农业生产提供机械支持的大多数农业机械制造商都属于中小型企业的分类公司。要将它们转移到当今竞争激烈的全球市场，从工业发展的角度来看，这是一个改善农业生产的必然过程。为了实现这一点，可以引入一些关键路径，包括知识支持，以使其具备当前先进的CAD和制造驱动技术以及必要的利用策略。因此，本研究描述了一种独特的应用算法，并将其应用于以工业为中心、以拖拉机为例的提升机构和农业企业的应用案例研究中。

如今，人们可以使用各种大容量的工具和机械，这些工具和机械设计用于不同行业的起重、装载和运输作业。但由于采购成本高、生产能力大、规模大等中小型农场主不喜欢的重要限制，以及专业操作人员的需要等，这些机械可能不适合中小型农业企业使用。因此，大多数中小型种植者更喜欢使用低容量、更简单的起重工具，以更实际的方式安装在农用车辆上。然而，这远非最佳解决方案。尽管这些基本的拖拉机式起重工具看起来更实用，但其缺点是操作/控制困难、机械故障和由于设计错误、起重能力水平低、人体工程学不足等原因导致的部件在操作使用过程中断裂，导致用户寻求更方便的工具。由于用户定义的需求和规范，提升工具采用先进的设计、工程和优化技术进行设计，可以消除这些缺点。

本文介绍了一种基于CAD/CAE和结构优化的总体设计算法，并将其应用于实际案例研究中。本文的以下部分详细介绍了该算法在拖拉机式伸缩臂起重机设计和结构优化方面的具体步骤。

2．材料和方法

2.1．应用算法

此研究提出了一种计算机辅助结构优化算法，可以实现农业机械的总体设计，开发和改进。该算法是在先进的CAD/CAE技术和结构优化技术的基础上发展起来的。该算法由流程图表示，如图1，在图表中，程序从设计决策、需求和约束定义开始，然后在数字环境中以实际的虚拟设计策略继续。在虚拟设计、优化和评估步骤之后，后续的应用程序将使用物理方法完成原型，实验设计验证和制造图纸程序。

2.2．案例研究：拖拉机伸缩臂起重机

该算法已在工业集中和应用案例研究中应用了计算机辅助设计、数值和实验技术。在案例研究中，重点设计了一种适用于中小型农业企业的拖拉机式伸缩臂起重机(TMTBC)。通过对种植者的采访、实地观察和对现有起重和运输工具的调查，确定了设计特点和限制条件。表1中列出了一些主要的设计特性。

2.3．材料选择和试验

起重机设计的材料选择程序考虑了起重机的运行条件，最大承载能力和可能的制造技术，因此，决定将起重机制造为钢结构。对于在以下算法步骤中进行的强度分析和结构优化程序，将材料的屈服强度点定义为失效准则。该失效准则和其他实验确定的材料特性对基于有限元法（FEM）的模拟、优化和总体设计评估进展具有重要意义。因此，为了获得所需的材料机械性能，从用于起重机生产的钢材料基金属板上随机采集了几个不同厚度的试样，然后进行拉伸和疲劳试验。材料试验进展情况及试验结果如图2所示。

2.3.1．拉伸试验

在拉伸试验程序中，使用了容量为100千牛的Shimadzu AG–X，并遵循了金属材料标准（TS EN ISO 6892-1）。根据标准中给出的尺寸，采用水射流切割技术制备了三种不同厚度的矩形试样（2.5、6和8 mm）。总共测试了9个样本。这些样品是随机抽取的钣金原料，用于卡兰的原型制造。将所有实验数据重新排序，计算材料屈服点、拉伸点和断裂点的平均值分别为280.26plusmn;8.94、404.23plusmn;1.14和348.69plusmn;11.36 Mpa。

最终设计的制造图纸

用于制造作业的cad装配件的可视化评估

设计是否满足规定的最大运行条件

设计验证：剂量有限元模型满足批准的设计

设计验证：物理测试结果与批准设计的有限元结果进行比较

原型物理试验和分析

原型制造

确认获得的目标函数

基于有限元分析的结构优化

可否进行预期结构优化工作

结构强度分析:有限元分析

结束

否

否

是

是

是

是

否

否

是

否

计算机辅助设计过程

（三维参数化实体建模/装配）

（开始）

设计方案

设计材料/材料试验

定义设计规范和约束

图1.应用程序算法的流程图表示

表1.TMTB的一些设计特性

最大安全承载能力 lt;700kg

最大动臂开启长度 2.5m

最大上升高度。(升降角度为45°静态工况) 3m

总旋转能力（左右两侧） 180度

起重机运动控制 拖拉机液压系统

最大特点 伸缩式（2个部件）

拖拉机连接 拖拉机三点联动(便携式)

2.4．疲劳试验

为了评估起重机部件在规定载荷条件下的使用寿命，进行了疲劳试验。对从起重机结构钢材料中随机抽取的五个相同的圆柱形试样进行了疲劳试验。使用旋转梁疲劳试验系统（ISO 1143:2010/TS ISO 1143）进行试验。在不同的动载荷条件下对所选试样进行了试验。所有实验数据均按照沃勒策略进行评估，如图2所示。在应力为197 MPa时，得到了无限寿命周期(近似为个周期)。

屈服点

拉伸点

断裂点

压力

压力

周期

疲劳测试结果

拉伸试验的平均值

屈服点

断裂点

拉伸点

图表表示拉伸试验的数值结果

系列B

系列C

系列A

系列B

系列C

系列A

试验后试样

试验后试样

试验装置及试验操作

试验装置及试验操作

疲劳测试过程

厚度

试样

试样

拉伸试验过程

图2.材料试验

3．三维实体建模

设计过程中的每个单独部分都考虑了工程计算、制造限制、设计特点和约束，然后使用SolidWorks三维参数化实体建模设计软件对起重机的每个单独部件进行建模。随后，考虑到起重机的实际运行情况，将所有组件组装成软件的一个装配模块。起重机的数字样机具有运动能力，就像它在现实生活中的运行条件一样。在建模过程中，对起重机的几乎所有部件都定义了钢基材料。在数字样机制作过程的最后，计算出起重机结构的总质量为394 kg，经评估为设计约束内可接受的质量。起重机CAD模型的统计信息、建模过程和牵引车安装情况如图3所示。

起重机的运动由三个液压缸提供，这些液压缸可通过带操纵杆的拖拉机液压系统单元进行控制。起重机的最大安全装载量设定为700千克。当伸缩臂完全打开并与地面平行时，这种强度对起重机的影响最大。因此，本文将该臂架位置作为最坏加载情况进行了计算。图4为液压缸的特性和最大加载情况。

起重机在虚拟环境中进行评估时，考虑到以下标准：部件之间的相互作用、碰撞和协调、旋转运动和控制能力、最大起升角度和动臂打开/关闭位置、移动部件的自由度、可制造性等。评估结果如下：评估了一个物理原型的制造过程，没有遇到任何负面的方面，因此启动了基于有限元的结构应力分析算法的下一步。

3.1．基于有限元的应力分析

在基于有限元的应力分析中，可以研究起重机结构部件在最坏载荷情况下的失效情况。失效是指当结构的载荷超过其组成材料的弹性极限时，结构发生永久变形或瞬间断裂[7]。起重机的大多数部件都采用韧性钢材料。正如胡克定律所解释的那样，在这类韧性材料中，失效情况可分为两步[8]。接近材料屈服点时，首先发生的破坏称为塑性变形。随着载荷的增加，如果载荷超过材料的断裂点，则可能发生随后的断裂。通过比较材料屈服点和从起重机部件的有限元分析（FEA）中提取的von Misses应力大小，进行失效评估。建立了考虑静载荷、粘结接触、线性和各向同性材料模型假设的有限元分析模型。使用SolidWorks模拟商业有限元代码进行分析。使用有限元代码的网格化函数执行网格化操作[9]。在网格结构中，采用了10个节点的二阶抛物型实体单元形式，共得到585904个节点和331344个单元。有限元模型的总自由度为1740303度（图5）。通过拉伸试验获得了FEA中使用的临界材料性能，如屈服点、拉伸点和断裂强度点（图2）。除了这些特性外，有限元分析还定义了210 gpa的弹性模量、0.3的泊松比和7850 kg 的密度。

在运行FEA过程之后，针对预先描述的最坏情况场景，获得起重机部件的变形和应力分布。 在FEA后处理步骤中，显示了输出屏幕，其中详细说明了起重机结构上发生的最大变形和最大等效应力（Von Mises）分布（图6）。

仿真输出提取出臂架加载点垂直加载方向的最大位移为20.544 mm。位移评估表明，该量值在设计约束的可接受范围内，不会对起重机的运行产生不利影响。此外，为了在局部和全局看到清晰的视觉失效信息，我们根据安全系数(FOS)来评估起重机部件上的应力分布，FOS根据部件材料的屈服强度来显示Von Mises应力比。综合有限元分析结果，仿真结果表明，在确定的最大载荷条件下，起重机的设计具有足够的耐久性。

然而，由于整体设计组件已被评估为耐用，因此并不意味着起重机的各个部件具有最佳设计。特别是在这种情况下，起重机最重要的元件之一是具有活动部件并且在高负载条件下工作的伸缩臂。因此，为动臂部件设计优化结构非

资料编号：[4229]