基于DOE方法的液压挖掘机斗杆优化设计

庄攀，杨良德

(常德达门船舶有限公司，湖南 常德415700）

0 引 言

选取斗杆参数化模型中主要设计参数作为结构轻量化设计的优化变量, 利用优化软件OptiSLang对结构进行优化设计。以斗杆总质量最小为优化目标,在保证结构具有足够刚度和强度的条件下,寻求最优设计方案,使斗杆整体箱型结构具有最佳承载能力。

1 DOE设计方法

图1 某型液压挖掘机斗杆结构图

DOE (Design of Experiment) 设计方法是基于过程优化环节，分析输入与输出参数之间的变化关系，辨识诸多参数中的关键因子，确定最佳参数组合，为后续进行结构优化设计与结构强度优化等提供有效的技术分析方法。

2 建立参数化模型

基于Pro/E创建参数化模型，对诸多部件进行完整定义，输入各部件之间关系式和对应的参数，模型中所有尺寸直接由定义的参数来控制，参数设计时要充分考虑分析模型后续更新以及零部件之间的干涉情况。参数化模型创建完成后可以直接使用已提前定义的参数对模型进行修改更新，可以方便、有效地进行结构强度优化和拓扑优化分析。分析前当Pro/E与ANSYS Workbench之间数据传递时，参数化模型首次导入ANSYS Workbench后可以直接对模型进行尺寸控制。Pro/E中建立好的全参数化斗杆模型与参数关系式如图2、图3所示。

图2 液压挖掘机斗杆全参数化模型

图3 斗杆模型参数与关系式

3 斗杆DOE优化设计

3.1 输入变量值

本文以液压挖掘机工作装置主要运动部件斗杆箱体结构作为研究对象，斗杆一般是由钢板焊接而成的箱型结构, 在斗杆箱体DOE优化时，充分考虑箱体内肋板在斗杆回转时承受弯扭作用，因此斗杆内肋板的合理设计对斗杆整体箱型强度有非常重要的作用。

参数设计时，斗杆主要的输入参数变量有内肋板板厚hou、斗杆后支座中心与内肋板连线与水平方向角度jiaodu、内肋板与水平方向

角 度jiaodu2，主要参数示意如图4 所示。定义各主要参数变量的取值区间，如表1所示。

图4 斗杆内肋板参数示意图

表1 斗杆内肋板参数取值区间

3.2 输出参数设置

基于DOE 设计方法的斗杆优化设计，以保证斗杆最佳力学性能即足够的强度和刚度，优化斗杆总质量为目标。因此，分析中合理设置目标监测位置，斗杆内肋板关键控制点的等效应力P6，斗杆等效应力较大区域P4、P5，以及斗杆总质量P7作为此次优化目标，并取相应位置的最大等效应力与总质量作为响应输出参数。通过对输入和输出参数之间变量正交计算与结果对比分析，得出参数间影响及变化规律。输出目标位置监测点及最大等效应力参数定义如图5所示。

图5 目标位置监测点设置

3.3 DOE分析加载与结果分析

采用ANSYS Workbench中响应曲面优化与目标驱动优化模块，以斗杆内肋板关键参数为输入变量，通过DOE正交数组方法设计输入变量，根据实际姿态工况，设定约束条件，施加工作载荷，以斗杆等效应力、等效位移和斗杆质量为设计目标，对斗杆进行上述姿态静应力计算分析，探讨斗杆内肋板参数因子对斗杆力学性能及总质量的影响和变化规律。通过正交组共计15个点位抽样连续计算，得到相应的计算结果，如表2所示。

表2 DOE正交数组设计点计算结果

通过DOE数组分析的灵敏度分析查看输入参数变量对输出相应参数的影响程度。图6直接显示3个设计参数和4个输出参数之间的灵敏度情况，即jiaodu2对zhofuban影响很大，而其他两个参数对其影响很小；jiaodu对shyiban影响很大，而厚度对其影响很小；jiaodu对leiban影响很大，而厚度对其影响很小；jiaodu2对总质量P7影响很大，而角度对其影响较小。由此可知，支座中心与内肋板连线水平角度jiaodu、内肋板水平角度jiaodu2对斗杆与内肋板等效应力影响程度最为明显，内肋板水平角度jiaodu2对斗杆总质量影响程度最为明显。

由图7（a）可知，随着jiaodu值增加至55°时，zhofuban应力值逐渐减小，呈负相关性，当jiaodu值由55°增加至70°时，zhofuban应力值逐渐增大。由图7（b）可知，随着jiaodu值增加，shyiban应力值逐渐增加，两者呈正相关性。由图7（c）可知，随着jiaodu2增加至55°时，shyiban应力值逐渐增大，呈正相关性，当jiaodu2由55°增加至70°时，shyiban 应 力 值 逐 渐 减小。由图7（d）可知，随着jiaodu增加至60°时，leiban应力值逐渐减大，呈正相关性，当jiaodu继续增加时，leiban应力值减小。

图6 输入参数敏感度分析结果

图7 变量间二维响应曲线图

根据以上分析，进一步对内肋板的最优位置与厚度进行筛选，分析时以斗杆箱型体关键部位的应力值作为优化目标，即斗杆内肋板和中腹板等效应力值小于设置目标值，斗杆总质量最小化。根据要求设置各响应参数的重要级别，得到内肋板的最佳位置，通过计算优化筛选出3组最符合优化条件的候选组合，如图8所示。

图8 斗杆优化候选设计组合

其中，组合A相比于组合B、C，内肋板等效应力值明显偏低，且其他分析结果基本相同，因此组合A更适合作为最佳优化结果。分析结果表明，斗杆在满足力学性能的前提下，通过对参数设置重要度对斗杆整体进行优化，使斗杆的结构强度达到最佳水平。

4 结语

本文以挖掘机斗杆为研究对象，采用DOE(Design of Experiment)设计方法，分析各组成参数因子对斗杆整体力学性能及自重的影响及变化规律，获得设计候选组合，通过ANSYS Workbench目标驱动优化模块，筛选斗杆各组成参数最佳组合值，保证斗杆足够强度和刚度的条件下，实现斗杆优化设计的最优方案，本文采用的设计方法与优化思路对工程机械结构优化设计提供技术参考。