基于iSIGHT的机-液耦合举升机构的优化设计

　　举升机构是工程专用车的关键机构，其设计质量影响车辆的工作性能。由于举升机构是机液一体化系统，对其进行优化设计一直是工程设计领域的难点。传统上一直采用经验类比法进行举升机构的设计，存在设计质量不高、周期长、无法得到最优解等缺点。MATLAB 中的机构仿真模块 SimMechanics，利用牛顿动力学中力和转矩等基本概念，可以对机构中各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，Simulink 模块可以进行液压系统的建模与仿真。基于 MATLAB 软件构建了举升机构的机—液耦合仿真模型，并通过 Simulink 的子系统封装技术进行模块封装，实现举升机构的同一仿真框架下动态并行仿真分析。同时，使用著名多学科软件iSIGHT，通过其提供的软件间协同机制来驱动 MATLAB 软件进行动态仿真和 DOE 分析，使用序列二次规划算法对举升机构进行了优化设计并获得了满意的设计方案。

　　1 举升机构的机—液耦合模型

　　1.1 机械系统的 SimMechanics 模型

　　SimMechanics 是 MATLAB 提供的机构系统仿真工具箱，可以在 Simulink 环境下直接使用并与 Simulink 中的其他工具箱实现无缝连接。它利用物理原理来对各种运动副连接的刚体进行建模、设计和仿真分析。SimMechanics提供了一个模块集，包括：刚体模块组、运动副模块组、约束与传动模块组、检测与驱动模块组、力元件模块组和辅助工具模块组。研究的举升机构为油缸前推连杆放大式机构，由车厢、车架、拉杆、三角臂和液压油缸等构件组成，机构运动简图，如图 1(a)所示。

　　假设将各部件视为刚性元件，忽略各铰接点的摩擦力。通过SimMechanics 功能块，分别创建举升机构的车厢、三角臂、拉杆、液压缸缸体和活塞杆的模型，液压缸缸体与活塞杆之间采用移动副连接，其余各构件之间采用旋转副连接。指定车架为大地，建立举升机构的动力学模型，如图 1(b)所示。模型连接完成后，在模型中建立构件的坐标系，如图 1(b)所示，以纸面向上的方向为 Z坐标系的正方向，坐标轴的旋转方向遵从右手法则。根据机构的固有属性、自由度数、约束以及坐标系统，对已建立的模块进行参数设置。参数设置包括模块参数设置和机械环境参数设置，前者包括设置各个刚体两端坐标、转动铰链和运动铰链的运动轴、质量、惯性矩、质心位置坐标等模块参数，后者包括各个坐标轴的重力加速度向量及其单位的设置、分析方法的设置以及求解精度的设置等。其中分析方法可以选择前向动力学分析、反向动力学分析以及平衡点处的线性化近似分析等。

　　1.2 液压系统的 Simulink 模型