林地多功能作业车臂架起升机构动力学分析及优化

作     者：高龙 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓旻涯

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 082801[工学-农业机械化工程] 

主      题：铰点坐标 Box-Behnken设计 simcenter3D仿真 多体动力学 智能算法 BP神经网络 NSGA-Ⅱ算法 

摘      要：随着我国经济的快速发展和工业化的进程,林业资源的需求不断增加,林区作业机械的广泛应用成为林业发展现代化的重要体现。林地多功能作业车在现代化林业生产中的应用,能够极大地提高林地作业的效率和质量。臂架起升机构是林地多功能作业车的重要的组成部分,其设计的合理性对于提高作业车工作效率、增加作业范围及可靠性等方面都有着重要的作用。因此,有必要对林区多功能作业车臂架起升机构进行全面研究。目前对臂架起升机构的研究多仅考虑对臂架结构单独进行分析,而忽略起升油缸对臂架性能的影响,这种方法实验因素少,无法全面、准确的对臂架起升机构性能做出评价。同时对臂架的优化大多也仅以起升油缸工作压力最小为目标进行单目标优化,没有考虑在实际工况下的起升角度及角加速度的动力学分析及起升平顺性等各项指标的多目标优化;这使得其在某些情况下并不能很好的逼近真实面,拟合精度较差。本文主要基于牛顿欧拉方程,建立林地多功能作业车臂架起升机构的动力学模型,采用Box-Behnken Design(BBD)实验设计方法对高空作业车中间连接杆、起升油缸铰点位置进行试验设计,得到实验样本数据。利用智能优化算法对BP神经网络进行优化,建立起升机构的动力学预测模型。后采用NSGA-Ⅱ遗传算法对模型进行寻优,得到Pareto最优解集,基于博弈论的思想对五目标的主观和客观权重进行综合赋权,得出最优铰点位置。具体内容如下:(1)首先,对林地多功能作业车进行运动学及动力学建模:对连杆矢量方程求导得出连杆质心加速度、连杆转动角速度和角加速度的运动学方程;根据臂架连杆组成和力传递原理,建立连杆质心加速度、转动角速度和转动角加速度方程,从而建立林地多功能作业车的动力学方程模型。(2)其次,选取Box-Behnken Design(BBD)实验设计方法获取林地多功能作业车臂架起升机构中间连接杆和起升油缸铰点位置样本点,利用Simcenter3D仿真软件得到样本响应实验数据,基于BP神经网络建立样本与响应的预测代理模型。采用智能优化算法对建立的BP神经网络进行初始阈值优化,从而得到最优的神经网络预测模型。(3)然后,采用NSGA-Ⅱ遗传算法对优化后的BP神经网络进行寻优,得到Pareto最优解集。基于博弈论思想,将专家评分得到的主观权重和熵权重评价模型得到的客观权重综合赋权,得到林地多功能作业车臂架起升机构铰点位置的最优解。(4)最后,本文搭建了林地多功能作业车上试验测试平台,进一步使研究成果应用于实践。将测试结果与仿真优化结果进行对比可知,实验结果与仿真结果基本一致。验证了本文所建BP神经网络预测模型和NSGA-Ⅱ遗传算法优化模型在林地多功能作业车臂架起升机构性能优化中的准确性和有效性。