轮式多功能机动穿越架的机械特性分析与结构优化 王双， 李春轩， 钟文， 李凯， 桂和淮， 唐波

《Applied Sciences》：Mechanical Characteristics Analysis and Structural Optimization of Wheeled Multifunctional Motorized Crossing Frame Shuang Wang, Chunxuan Li, Wen Zhong, Kai Li, Hehuai Gui and Bo Tang

针对轮式多功能电动越障架轻量化设计中的多组件装配体参数优化难题，采用有限元分析与响应面模型结合的方法，通过中心复合设计生成样本点，建立Kriging预测模型，并运用MOGA多目标优化算法确定最优参数。优化后臂支撑质量减轻12.8%，最大变形8.98mm，等效应力314.86MPa，屈曲载荷因子6.08，均满足结构要求，实验验证误差仅4.64%。

　　

摘要

轮式多功能机动跨越架是一种用于高压输电线路建设的新类型跨越设备。初始设计过于保守，具有较大的安全裕度和较高的材料冗余度。因此，有必要研究轻量化设计版本。然而，由于该结构由多个组件组成，其复杂性也相对较高。在轻量化设计中，优化多组件和多尺寸参数可能会导致结构间的干涉和分离，从而严重影响设计优化的顺利进行。为此，提出了一种针对多参数复杂装配结构的优化设计方法。首先，利用其结构模型分析了轮式多功能机动跨越架的典型应力条件。接着，在ANSYS 2021 R1 Workbench中建立了梁的有限元模型，并对其机械特性进行了分析。结果表明，臂架是关键的承重部件，具有显著的优化潜力。随后，建立了臂架14个尺寸参数之间的功能映射关系，将设计变量数量减少到6个，成功避免了优化过程中的组件分离或干涉现象。通过全局敏感性分析，从6个初始设计变量中筛选出臂架的高度、厚度和长度作为核心优化参数。然后，利用中心复合设计（CCD）生成了29组样本点，并利用克里金（Kriging）方法建立了反映臂架尺寸参数、总质量、最大应力和最大变形之间关系的响应面模型。进行了留一法交叉验证（LOOCV），模型拟合的决定系数（R2）均高于0.995，表明预测精度极高。以质量和变形最小化为优化目标，采用MOGA算法进行多目标优化，确定了最优工程参数。对优化后的臂架进行了仿真验证，并同时进行了特征值屈曲分析以验证结构稳定性。最后，通过对全尺寸原型在对称和偏心载荷下的机械性能测试，验证了所提出的优化方法的可行性。结果表明，优化后的臂架质量从217.73 kg降低到189.8 kg，减重率为12.8%。在70,000 N的偏心载荷下，臂架的最大变形为8.9763 mm，最大等效应力为314.86 MPa，屈曲载荷因子为6.08，均满足结构刚度、强度和屈曲稳定性的要求。实验结果与有限元结果之间的最大误差仅为4.64%，证明了所提方法的准确性和可靠性。该优化方法在轮式多功能机动跨越架上的应用验证表明，它可作为具有耦合尺寸约束的复杂装配体轻量化设计的通用范例，为多组件输电线路设备、建筑机械及其他多组件工程系统的结构优化提供了通用参考。