基于统一精确建模的机场特种设备剪升机构优化设计方法

Scissors lift mechanism (SLM) is a key common component of ground support equipments such as catering vehicle and luggage lift platform truck, etc. Deformation and buckling of SLM may greatly affect the safety of aircraft that could cause airline delay, or even more, significant loss of human and airplane. Emergence of A380 raises new challenge of big lift range SLM''s design. To build a common optimization design methodology of airport special equipments’ SLMs, a six input mechanism is proposed as studied mechanism configuration according to its common nature of single input and single unit. In geometry research, a unified geometric description of different SLMs will be realized to get a standard parameter space. Utilizing kinematics analysis, a performance comparing index will be achieved. In mechanics research, a uniform statics process of SLMs will be accurately built. Then, interior force field modeling of active components will be worked to demonstrate running regulation of mechanical parameters and to formulate criterions of stiffness and stability of SLMs. These criterions will pass the numerical and experimental verification. In optimization design research, constraint conditions are found from unified and accurate model and design requirements, design variables and object function are defined. An ideal time changed section optimized solution is pursued with differential evolution method. Based on it, an engineering SLM optimization model is decided to explore approximate simplification solutions for verification.

剪刀架举升机构（剪升机构）是配餐车和行李平台车等众多机场特种设备的关键共性部件。机构的变形、失稳会极大地影响飞机安全，可能导致飞机延误直至人机重大损失。A380的出现，对大升程剪升机构设计提出了新的挑战。为构建机场特种设备剪升机构的通用优化设计方法，针对其单节单输入共性特征，提出一个6输入机构作为研究构型。通过几何学研究，建立剪升机构不同输入构型的统一几何描述，为力学建模提供标准参数空间。利用运动学分析，建立比较指标。通过力学研究，精确建立机构的静力学分析统一过程，继而进行活动部件的内力场建模，揭示力学量运行规律，寻求机构刚度、稳定性等的判据，并通过数值仿真和实验手段进行模型修正。通过优化设计研究，利用统一精确模型结合设计要求得到约束条件，定义设计变量和目标函数，采用差分演化方法寻求理想时变截面优化方案。以此为基础，确立满足工程需求的剪升机构优化模型，探索工程近似简化方案并进行验证。

本项目针对线性输入的单节式剪刀架举升机构进行了应用基础研究，项目具体从几何学研究、力学研究、优化设计研究以及计算机仿真与实验研究等四个方面展开。项目组从几何学出发构建了一个描述各种输入配置方式的统一表达模型。然后从力学分析入手，揭示剪升单元在运行过程中的静力学、内力、应力、变形、稳定性等规律。采用精确建模，建立了包含机构强度、刚度和稳定性条件的优化模型。最后以等强度设计为目标，通过最优化搜索得到理想时变截面优化方案；结合工程应用，获取简化方案，并验证其性能。.通过本项目，我们解决了下述问题：1）全构型剪刀架举升机构基于特征三角形的统一输入模型及其性质分析。不同的配置方式使输入两端连接的部件不同。这导致每个部件的受力不相同。为剪升机构建立了一个包含各种输入可能的表达，并通过一系列构型方案仿真、设计实践及试制验证了方法的正确性和普适性。2）建立了全构型机构节点内力及支臂内力场函数。支臂是剪升机构的主要活动部件和受力部件，其分析和优化是剪升机构的核心任务。只有精确建立支臂统一内力函数，才能提供应力、变形及稳定性等建模的基础。也只有对其函数性质进行分析，才能把握机构运行过程的力学规律，提炼优化条件。3）研究了剪刀架机构的静、动力学稳定性及抗倾翻稳定性，确定了其在不同工况下的稳定工作条件。4）拓展了统一特征三角形方法在低频隔振系统上的应用，提出了一种针对低频剪刀架式隔振系统的设计方法。5）提出一种基于理想时变截面的支臂优化设计方法。通过对现有试验台的分析和优化建模，得到一个满足等强度要求的截面时变的空想方案。此方案的获得揭示了等强度要求下，特定形状截面的尺寸随时间的变化情况。此方案为实际优化结构方案提供简化对象。6）提供一系列可制造的不同程度优化方案。根据不同的简化思想（等截面、变截面或截面随时间变化），利用获得的理想优化方案，得到能够制造的不同优化方案。7）针对支臂截面、输入位置等不同参数影响，探索了部分单一构型剪刀架机构优化设计方案。8）建立统一的机场特种设备剪升机构优化设计算法及其软件。受人力、时间和资源所限，传统设计无法穷尽所有方案，只能进行有限个案的比较。采用最优化方法，可逼近全局最优方案。通过本项目，提出了适用于多种支臂截面形状，不同型材的6种输入液压缸配置方式的剪升机构的轻量化设计方案。对传统遗传算法进行了改进，达到了较快收敛速度，提高了优化效率。