混合臂式高空作业车是大型工程机械中的高端产品,结构复杂,尺寸大,其结构优化设计是工程机械研究与开发的难点和前沿领域。随着其在各个产业的广泛应用,对工作范围和安全性的要求越来越高,高空作业车的结构强度分析与优化设计问题显得日益突出。研究工作范围更大,安全性更高及质量更轻的高空作业车,不但能提高工作性能,而且可以降低成本,具有重要的工程应用价值和理论意义。　　 高空作业车工作臂的优化设计涉及多个目标函数,是一个Pareto最优解问题。论文提出了一种集成CAD建模、CAE分析和优化程序为一体的综合优化方法,运用该方法可以对任意形状的单个物体和复杂装配体进行结构优化设计,为高空作业车的结构优化设计提供了一种通用性方案。文中提出了批处理参数化建模方式解决了复杂装配体的装配关系的参数化问题,实现了CAD建模、CAE分析和优化的集成。基于相似理论,将工作臂工作范围从19m到28m的优化转化为19m工作臂的机构构型优化、截面形状和尺寸优化以及拓扑结构优化,提高了优化的效率和精度,最终优化后的28m的工作臂不仅满足强度设计的要求,而且使工作臂的总质量降低了19％,小于2.5吨,达到了高空作业车的同级欧洲标准。本文提出的优化方法取得了良好的优化效果,可推广应用于工程实际产品的优化设计。　　 论文的主要内容及创新点如下:　　 1.以多体动力学理论为基础,在ADAMS中建立工作臂的多体动力学模型。简化工作臂中的附属部件,由于外形尺寸较小的几何特征对工作臂的运动学特性和动力学特性影响很小,因此在动力学模型中将其省略；对于链条和控制线路等具有一定的质量但几何建模无法实现的部件,在其相应的质心位置简化为质量点。为了获取工作臂关键点在整个工作过程中的应力曲线,采用模态综合法建立了工作臂主要部件的柔性体模型,进行刚柔耦合动力学分析。首次提出了哑元建模方法,解决了ADAMS中平动约束副连接物体无法柔性化,以及柔性体与柔性体无法直接连接的难题。　　 2.以简支梁模型为例,研究了销轴连接模型的建模方法。分别以自由度耦合法、界面单元法和接触单元法模拟销轴连接建立简支梁有限元模型,通过与解析解比较,证明接触单元法的分析精度更高；在此基础上,研究了接触摩擦系数、接触刚度因子和穿透量误差因子等参数对接触单元法分析结果的影响规律,为工作臂有限元分析中的参数设置提供指导。采用接触单元法建立工作臂的整体有限元模型,获得在最危险工况下的工作臂主要部件的应力和应变分布情况。由于接触单元法包含大量的非线性迭代计算,为了提高计算的效率,以接触单元法为基础提出子模型分析法,将工作臂的整体分成多个子模型分别进行有限元分析,另外还建立了单件的比较精确的有限元分析模型。　　 3.为了验证多体动力学分析结果和有限元分析结果的精度,采用实验应力分析方法,以电阻式应变片和静态电阻应变仪测定某些关键位置的应力分布情况。与数值分析的结果进行比较,结果表明特定工况下的有限元分析结果更为精确,进一步证明接触单元法能有效地解决销轴连接的建模问题。　　 4.考虑到工作臂的结构与装配关系复杂,尺寸大,刚柔耦合多体动力学分析和接触单元法有限元分析计算量大,为了提高优化的效率,论文提出将工作臂的优化分成三个步骤,即机构优化、结构形状优化和拓扑优化。在机构优化中,将工作臂的整体模型简化为二维多体动力学模型,取各硬点的x、y坐标为设计变量,关键点的受力为约束变量,以工作臂的工作范围为19m和工作臂系统的总质量最小为优化目标,分别采用基于梯度的NLPQL算法和随机搜索算法中的GA对其进行优化,将两种算法优化的结果进行比较发现,GA.更适用于多变量的复杂系统的优化。通过优化获得了19m工作臂机构型式的最优解,并确定了主要零件的长度和装配关系。　　 5.为了满足工作臂的强度要求和提高其工作范围,同时降低材料的消耗,在结构外形优化中以零部件的质量和长度为目标函数进行多目标优化。首先以相似理论为基础,推导出相似模型的动力学特性以及应力之间的映射关系,再确定优化19m模型时应力约束条件。论文首次提出将CAD建模、CAE分析和结构优化集成为一体的优化方法。对工作臂的各主要部件,在Pro/E中采用批处理参数化建模方式建立其三维CAD模型,并导入有限元分析软件ANSYS中,以APDL语言编程使强度分析在batch模式下运行,在批处理参数化文件中设定各部件的设计变量,在ANSYS分析结果文件中取优化的目标函数,采用随机搜索算法MIGA、NSGA和NSGA-Ⅱ控制此程序,获得工作臂截面形状和尺寸的Pareto最优解。　　 6.工作臂的前、后安装架结构复杂,为了减少消耗的材料,降低成本,以有限元分析为基础,采用优化准则法对工作臂的前、后安装架进行拓扑优化,获得了其最优材料分布状态,取得了很好的拓扑优化效果。　　 本论文研究得到江苏省国际合作交流基金资助。