修改版开题报告(闫二乐140220021)

表一福州大学硕士研究生论文开题报告一、论文选题依据1.课题研究背景和意义1.1课题研究的实际背景液压挖掘机作为最重要的工程机械设备之一，主要用于土石方开挖，在交通、建筑、水利、国防、农业以及城市建设等施工工程中起着十分重要的作用。

据统计，土石方施工工程中60%以上的土石方量是由挖掘机来完成的。

完成同样的土石方工作量，挖掘机作业消耗能量最小，装载机次之，推土机最多[1]。

在智能化控制的挖掘机时代[2]，人们对挖掘机的性能和节能效果提出了更高的要求。

近年来，随着南水北调工程、水利工程、高铁建设的施工，国内挖掘机市场需求不断增大。

虽然国内品牌挖掘机的市场占有率增幅明显，但是国外挖掘机品牌仍占市场主导地位[3]。

国内产品占市场份额45%，国外产品占55%[4]，这一趋势将会继续延续[5][6]。

挖掘机是国家工程施工的主要工具之一，假如国外品牌长期占据主导地位，将牵制国家工程建设的发展。

和选择其他产品一样，挖掘机的性价比是客户选择的主要依据，虽然国产挖掘机价格比较低，但是质量、技术水平参差不齐，仅有少数企业质量技术水平与国际先进水平接近，在价格及成本上具有优势，却无法与国外品牌形成竞争。

此外，近年来国产挖掘机在外观质量和驾驶舒适度方面有所改善，但是与国外产品相比，国内挖掘机仍显得比较笨重、能耗大、可操作性差[7]。

因此，很有必要借助人工智能技术对挖掘机设计实现智能优化设计。

1.2课题研究的意义在现代企业中，产品更新换代速度比较快，产品竞争激烈，产品周期缩短。

已有数据表明：产品成本的70％是由设计阶段决定的，而在运用CAD／CAM技术的工程阶段只决定着20％的产品成本，在加工过程控制和规划阶段则只影响产品成本的10％。

由此可见设计阶段在整个产品生命周期中的重要地位[8]。

方案设计是产品设计的初始阶段。

方案设计的决定产品设计成本的70%，也是产品创新设计的主要阶段。

对于工程机械产品来说，整机的性能、效率、质量等主要是由设计方案来体现的。

因此方案设计的过程表现为高维度的、非线性的、智能化的设计过程。

因此，现在大型机械的产品的方案设计处于探索阶段。

大力发展我国挖掘机工作装置结构优化技术，研发一种基于知识的适合多种机型的挖掘机设计优化软件迫在眉睫，课题组已经开发了几个版本的设计优化软件，但是对知识的整理与实用率比较低。

仅将以前的少量历史经验和设计标准配置到软件中，建立的以知识集成驱动的挖掘机工作装置主构件结构智能优化设计系统，虽实现高效建模与优化的智能化，但知识的量不足、一些知识约束和设计经验无法得到应用。

未来我国挖掘机产业发展的关键是实现对挖掘机工作装置的快速设计，缩短与国外产品的差距，减小设计成本。

因此，有必要探究依据现有挖掘机产品的实例，将人工智能技术应用到挖掘机工作过装置的方案设计中来。

通过实例知识和推理技术，来实现设计的自动化、高效化、智能化。

2挖掘机工作装置结构优化国内外研究现状以前工程设计都是采用比较传统落后的方法：试凑法或凭借经验近似[9]。

这种方法费时费力工作效率低，而且设计的产品比较笨重、性能低下、成本高。

近年来随着计算机的飞速发展，优化设计可以通过计算机实现。

这种方法通过大量的计算和比较择优选取，无疑对传统设计或计算机辅助设计都起到重要的作用。

而挖掘机是一种大型工程机械，优化设计过程尤为复杂，应用计算机对挖掘机优化设计，实现知识引导挖掘机工作装置的方案设计和智能算法寻优，减轻对设计人员的依赖将大大减轻人的工作量。

挖掘机由工作装置、回转装置、行走装置三大部分组成。

挖掘机的工作装置是挖掘机的主要部件，对挖掘机的工作性能、整机的稳定性有决定性的作用[10]。

工作装置由动臂、斗杆、铲斗以及相应的连杆机构等铰接而成。

通过液压缸的伸缩，实现挖掘、提升、卸料、空斗返回四个过程动作[11]。

因此，国内外很多企业和研究团队致力于挖掘机工作装置的研究。

首先，国内外挖掘机工作装置的研究现状。

文献[12]以挖掘机斗杆为研究对象做了以下研究：第一，应用面向对象的知识建立起斗杆的设计对象树，把斗杆看成一系列特征的组合，斗杆的上下盖板和腹板的形状和大小为形状特征。

其对斗杆以质量最轻和两个控制截面应力差最小为优化目标，以几何约束、静强度、稳定性、运动干涉为约束，建立斗杆结构优化的模型。

第二，以某公司的WY20A液压挖掘机斗杆进行有限元分析并建立有限元模型。

在文章中，利用有限元软件MSC/PATRA和分析软件MSC/NASTRAIN对斗杆进行静态分析，并且使用MSC/PCL语言来建立其有限元参数化模型。

在建立有限元参数化模型时，对轴孔载荷集中地方和不同类型单元过渡连结时做网格细化的处理，选择斗杆最大弯曲位置为计算工况。

不足之处，文章中仅仅对单一工况做了有限元静力分析显然没有充分考虑到不同工况下应力分布情况。

在建立有限元模型时，采用梁单元对斗杆进行分析，过于简单化与实际情况偏差较大。

每次迭代都要调用一次有限元软件，频繁调用有限元软件，浪费很多时间效率低下。

有必要研究一种新方法避免频繁调用有限元软件，提高优化设计效率。

第三，文中提出仅使用通用优化平台的优化策略、使用通用优化平台与有限元分析平台相结合的两种不同的优化策略，并且对结果进行了比较分析。

文献[13]以机械式挖掘机工作装置为研究对象做了以下研究：第一，介绍了机械式挖掘机机构类型与工作特点，并以某公司的机械挖掘机建立等切削后角挖掘轨迹模型，根据工作装置的初始位置参数关系建立运动方程，简化为矢量运动方程计算更加简便。

第二，以机构运动学的方法建立工作装置的斗尖轨迹方程，模拟工作机构在挖掘作业时的挖掘轨迹。

在对铲斗挖掘阻力进行分析时，将物料与切削刃边的摩擦阻力忽略，计算误差较大。

依据经验公式分析计算物料挖掘厚度和挖掘体积。

第三，创建工作装置运动学模型，对坐标进行转换。

在MATLAB软件中编写程序进行仿真，通过调整额定驱动速度的速比，解决了铲斗斗底与料堆干涉及斗杆运动失效的问题。

第四，以切削后角、提升钢丝绳与斗杆中心线夹角以及挖掘功率作为目标函数建立优化设计模型。

第五，在MATLAB中利用GUI 设计研发机械式挖掘机工作装置优化设计平台。

不足之处：在工作装置力学性能分析时，未考虑惯性力这一重要因素，工作装置在各典型工况静力学平衡与实际工作情况差距较大。

文献[14]以挖掘机反铲装置为研究对象,做了以下研究：第一，对工作装置进行静力学及运动学分析，推导了最大挖掘力和理论挖掘力。

第二，通过D-H转换矩阵实现了局部坐标与整体坐标的转换，并运用虚拟样机技术对反铲装置进行了运动分析。

第三，运用ADAMS软件对反铲装置进行挖掘轨迹的仿真优化。

第四，研发了挖掘机稳定性分析软件。

可借鉴之处：在对工作装置进行有限元分析时，对六种不同工况进行分析，虽然不能完全反应工作装置的应力情况，但可以大致反映工作装置在作业时的应力分布。

文献[15]以工作装置与液压系统为研究对象，建立了液压挖掘机工作装置挖掘仿真模型，分析了动臂、斗杆、铲斗的转角范围，并对工作装置进行了正解分析和反解分析。

其次对挖掘力、挖掘阻力进行了分析计算。

并在用ADAMS和AMEsim软件联合对工作装置液压系统进行了仿真。

不足之处，在计算挖掘阻力时仅仅依据经验公式，而挖掘阻力对于工作装置的设计是一个重要的参数，有必要建立一个挖掘仿真模型进行验证，而且未对优化后的工作装置进行应力分析、疲劳分析验证优化效果。

文献[16]中提出了一种液压挖掘机运动与动力综合优化设计方法，克服了一种优化方法的片面性与不足。

通过D-H转换法建立了挖掘机工作装置的运动学方程和动力学方程，进而建立性能参数综合优化目标函数，优化改进了工作装置主结构参数。

运用C++面向对象编程技术结构综合优化集成CAD 系统。

但在优化过程中并未充分利用相关知识建立结构参数的选择依据，而挖掘机优化设计的已有知识资源以及优化过程产生的知识等在优化过程也均未得到充分利用，且其在优化进程中采用有限元分析软件进行结构应力分析，需要花费较多时间，导致优化求解效率较低。

文献[17]中以工作装置为研究对象：基于Pro/E 建立了工作装置三维整体模型获得了工作装置的运动包络图。

并在ADAMS软件中进行运动仿真，获取铲斗齿尖的运动轨迹。

将三维模型导入ANSYS中对整个工作装置进行了有限元分析。

不足之处：在对工作装置整体有限元分析时简化了连杆装置和忽略了焊接处、工艺孔等，对于应力较大处没有集中处理网格数，与实际工作状况差距较大，得不到与实际相符的结果。

文献[18]中提出三种工作装置势能回收的结构方案，从实用性、成本和系统节能型考虑对比三种方案，最终确定基于混合动力系统的串联式和并联式基本结构方案。

其次在MATLAB中建立了工作装置动力学模型、液压控制调节阀模型，结果表明挖掘机节能效率提高44.3%。

最后，还设计了液压系统实验平台，大大的提高了实验效率。

不足之处：（1）文中仅仅对动臂势能进行回收，没有对斗杆、铲斗重力势能进行回收。

（2）文中仅仅对实验进行仿真，简化的模型与实际模型差别较大，显然不够完善。

文献[19]中以动臂为研究对象，在动臂结构优化过程中重点考虑斗杆油箱驱动时对挖掘力以及铲斗所受的侧向力的影响。

文中将动臂参数分为可变参数和固定参数，开发了OPTIBOOM软件，供用户选取动臂变量，快速创建动臂模型并进行有限元分析。

文中考虑动臂重量最轻和截面最大应力，依据动臂的21个参数创建了100模型，并选出最优的模型作为优化结果。

其方法缩短了有限元分析时间提高了优化效率，但是选取变量对设计人员的经验依赖比较大。

况且仅仅针对某一特定的动臂，从100个样本模型中选取最佳的模型来作为最优方案，所得结果并非全局最优解。

文献[20]中对上个文献中的问题进一步探讨，在动臂结构优化时将焊接区域作为应力特征区域。

指出最大的应力区域随着动臂的结构不同而变化，应力约束不仅要保证最大应力值小于极限应力值，而且还要保证各特征区域的最大应力与该区域目标应力之差保持在一定的范围内。

选取动臂模型的18个参数作为优化驱动变量，其中8个金属板料厚度为离散变量。

并在设计软件中增加了遗传算法优化模块，以满足动臂重量最轻的优化目标，采用惩罚函数法将多约束优化问题转为无约束优化问题，进行全局寻优得到最优结果。

不足之处：文中仅仅考虑单一工况下的应力，仅仅对某一动臂作为研究对象，未考虑铰孔的位置和相关参数，这些位置往往是应力最集中的地方。

并未将结构中隐含的知识引导优化，优化效果有待进一步提高。

文献[21]中基于Matlab和Adams软件分别对挖掘机进行了运动学仿真和动力学仿真，不足之处：运动学仿真仅仅依据现有的挖掘机参数进行包络线的绘制，并没有对铲斗、斗杆、动臂的转角范围进行优化改进，显然不够完整。

在对铲斗的优化时仅仅以工作油缸提供的最大作用力最小为优化目标，在计算阻力时仅仅依据经验公式。