《科技文献检索及利用》课程报告详解.doc

成绩
评定

重庆大学研究生
《科技文献检索及利用》课程报告

姓名：
学号：
学院： 机械工程学院
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完成日期：

课 题
名 称
中文：基于Isight的液压挖掘机工作装置结构性能协同优化
英文：Collaborative Optimization on Structure and Performance of Backhoe Hydraulic Excavator Working Device Base on Isight
选 题
来 源
√ 科研项目 学习选题 兴趣选题
信息调研要点
需要查证的内容要点：
1、 了解国内外对反铲液压挖掘机工作装置结构性能的研究现状、应用情况和发展方向；
2、 了解多学科协同优化的相关知识；
3、了解关于反铲液压挖掘机工作装置结构性能的优化参数、约束以及相关的优化算法；
4、了解Isight在多学科协同优化中的应用。
信息调研方法

√ 常规检索法 √ 引文法 实地考察 √ 访谈法
文
献
信
息
检
索

检索
范围

1、CNKI《中国期刊全文数据库》1990年 — 2016年3月；
2、万方《中国学位论文库》1999年 - 2016年3月；
3、万方《中国重要会议论文全文数据》1999年 - 2016年3月 ；
4、《Elsevier SD》1999年– 2016年3月；
5、《EI Compendex》 1999年– 2016年3月；
6、《Web of Science》1979年—2016年3月；

文
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检索
词和
检索
式

1、 检索词（中文／英文）
（1）液压挖掘机(反铲液压挖掘机)/ Hydraulic excavator，Backhoe hydraulic excavator.
（2）工作装置/ Working device, Working mechanism, Working equipment
（3）协同优化/Collaborative Optimization, Coordination Optimization, Optimization design, Optimal design, Optimize. , CO
（4）结构/ Structure.
2、检索式
(Hydraulic Excavator or Backhoe hydraulic excavator ) and (Working device or Working mecha* or Working equipment ) and (Struct* and Performance) or (Collaborative Optim* or Coordination Optim* or CO)

注: 1.以上检索式为一般表达式，具体形式因不同文库而异。
2.由于协同优化有多种英文表达形式，故采用了多种检索词。

检 索
结果
[1] Chen, Jin; Qing, Fei; Pang, Xiaoping. Mechanism optimal design of backhoe hydraulic excavator working device based on digging paths [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, v 28, n 1, p 213-222, January 2014.
[2] Casoli P, Gambarotta A, Pompini N, et al. Hybridization methodology based on DP algorithm for hydraulic mobile machinery — Application to a middle size excavator[J]. Automation in Construction. 2016, 61: 42-57.
[3] Shen W, Jiang J, Su X, et al. Control strategy analysis of the hydraulic hybrid excavator[J]. Journal of the Franklin Institute. 2015, 352(2): 541-561.
[4] Liu, Jingang; Kuang, Shuizhang; Chen, Jianwen; Zhang, Xiaopeng; Xia, Linglin. Structural design and performance analysis of a lengthened working device of hydraulic excavator based on general hydraulic cylinder. Proceedings - 2013 International Conference on Information Technology and Applications, ITA 2013, p 354-357, 2013.
[5] She, Yini; Ning, Xiaobin; Lin, Qiong. Kinematics performance simulation and optimization of large face-shovel hydraulic excavator working device based on ADAMS. Applied Mechanics and Materials, v 271, n PART 1, p 996-1000, 2013, Frontiers of Manufacturing and Design Science III
[6] Sébastien Rabeau,Philippe Dépincé,Fouad Bennis. Collaborative optimization of complex systems: a multidisciplinary approach[J]. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) . 2007 (4)
[7] S. Kodiyalam,R.J. Yang,L. Gu,C.-H. Tho. Multidisciplinary design optimization of a vehicle system in a scalable, high performance computing environment[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization . 2004 (3-4)
[8] 陈正利.我国挖掘机行业的形成与发展、现状及前景[J]. 建设机械技术与管理,2004,(11):25~29.
[9] 胡均平，刘振，李科军，等. 液压混合动力挖掘机回转能量回收系统的设计和控制[J]. 机械科学与技术. 2015(12): 1908-1913.
[10] 李秋波. 基于可行挖掘域的反铲液压挖掘机工作装置的优化设计与强度分析[D]. 重庆大学，2011.06
[11] 朱明娟，纪爱敏. 液压挖掘机工作装置静力学模型集成优化设计[J]. 机械设计与制造. 2016(01): 57-60.
[12] 陈进,吴俊,李维波,王旭东. 大型液压正铲挖掘机工作装置有限元分析及应力测试[J]. 中国工程机械学报,2007,(02):198-203.
[13] 东荣，张磊，张明珍，等. 液压挖掘机驾驶室振动及减振研究[J]. 建设机械技术与管理. 2015(11): 81-86.
[14] 任友良. 液压挖掘机工作装置结构性能分析. 浙江大学硕士学位论文.2010.

文
献
信
息
检
索

检索
结果
[15] 周全. 正铲液压挖掘机工作装置动态强度分析与结构优化[D]. 浙江工业大学, 2015.
[16] 王威; 范文慧; 肖田元. 复杂产品多学科协同设计优化建模方法. 系统仿真学报. TP391.72
[17] 李响.利用协同优化方法实现复杂系统分解并行设计优化. 宇航学报.2004.3. V221.6
[18] 王平. 基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计. 机械工程学报.2011.2
[19] 周奇.多学科协同优化算法及其在船舶概念优化设计中的应用. 中国舰船研究院.
[20] 张海涛. 液压挖掘机器人工作装置运动控制系统的研究. 中南大学硕士学位论文，2004.12.
[21] 郭银章. 机械产品协同设计过程的建模、控制与管理研究[D]. 太原科技大学 2011
[22] 任利.基于Isight的多学科设计优化平台的研究与实现. 山东科技大学硕士学位论文,2006.5.1
[23] 马敏静. 基于Isight的电子汽车衡的多学科设计优化. 山东科技大学硕士学位论文.2005.5.1
[24] 裴晓强; 袁博; 袁征难; 马寅光; 成大鹏. 基于Isight优化平台的卫星多学科设计优化. 航天器工程.2009.9.15, V423.41.
[25] 张庆山. 基于Isight的集成技术的研究及在吊艇架上的应用.华南理工大学硕士学位论文. 2012.5.1
[26] 黄洪钟. 基于满意度原理的装载机工作装置的多目标优化设计. 机械工程学报，2003.5，TH243

其他
信息
收集
（本栏填写所采用的其他方法如：访谈法、实地考察法等收集信息的结果）
（1）访谈法：
从和导师以及师兄的交流中得知：我国的挖掘机生产起步较晚，挖掘机的研究还不是很透彻，资料也比较缺乏，技术上较挖掘机强国差距比较大，而且挖掘机在挖掘过程中，受力比较复杂，以往的研究方法多是采用简化的单目标优化方法，或者是通过加权将多目标转化为单目标优化。
液压挖掘机作为一个复杂的系统，设计开发涉及机械工程、电气工程、电子工程、控制工程等多个学科领域，具有明显的多学科特点；同时，各子系统之间存在较强的耦合关系，相互影响。对这种复杂产品，传统的设计方法很难适用。多学科设计优化MDO正是解决这类复杂产品设计的一种综合方法。
由于工作装置对液压挖掘机的动力性、燃油经济性、驾驶操作性、稳定性、挖掘效率和使用寿命等都有直接影响，因此，挖掘机的工作装置设计是一个多目标、多学科的优化设计过程。
当前对工作装置的优化设计只采用了单目标、单学科，比如：以提高工作效率对工作装置进行优化设计；以增强工作装置的强度对工作装置结构进行优化；以提高挖掘机的挖掘性能对工作装置机构进行优化，等等。同时，液压挖掘机作业对像多变，使工作装置不可避免地受到各种随机载荷的作用，此外，设计中的工作装置结构的物理参数和几何尺寸等亦往往具有随机性，对于此类结构只有基于不确定性多学科的优化设计才能得到产品质量性能和可靠性具佳的产品。
起源于GE的Isight是功能强大的计算机辅助优化（CAO, Computer Aided Optimization）平台，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、电子领域的零部件、子系统参数优化乃至复杂产品多学科设计优化（MDO, Multi-Disciplinary Design Optimization）领域之中。用户可以通过Isight集成和管理复杂的仿真流程，运用多种优化算法自动探索得到优化方案，缩短产品研制周期，降低研发成本。所以Isight是一款适合做多学科优化设计的软件。
（2）引文法：
①向前引文：例如，通过《基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计》这篇论文找到了两篇较优秀的论文[6] Sébastien Rabeau,Philippe Dépincé,Fouad Bennis. Collaborative optimization of complex systems: a multidisciplinary approach[J]. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) . 2007 (4).
[7] S. Kodiyalam,R.J. Yang,L. Gu,C.-H. Tho. Multidisciplinary design optimization of a vehicle system in a scalable, high performance computing environment[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization . 2004 (3-4)
②向后引文：例如，通过《复杂产品多学科协同设计优化建模方法》找到了[21] 郭
银章. 机械产品协同设计过程的建模、控制与管理研究[D]. 太原科技大学 2011

信息分析：（着重针对课题的研究现状、研究热点、重要的研究人员、有价值的文献、发展趋势等进行综述）
(1) 研究现状：
我国的挖掘机生产起步较晚，从1954年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体上经历了测绘仿制、自主研发和发展提高等三个阶段。在过去的50多年里，我国的设计工作者不断地学习国外先进技术，通过消化、吸收、移植，国产液压挖掘机产品性能指标得到提高，产量也逐年提高，逐步缩短与国外先进水平差距的方向迈进。
浙江大学的任友良针对液压缸对工作装置动态性能影响和考虑销轴接触影响下，深入研究了液压挖掘机工作装置的结构性能；同济大学的朱红妹利用计算机辅助设计方法，进行了在挖掘机整个作业区域挖掘性能分析和挖掘力变化特性分析计算，开发了相应的软件；中南大学的周宏兵、胡雄伟利用仿真软件ADAMS以及虚拟样机技术，对反铲液压挖掘机工作装置进行相关力学性能分析和优化设计；太原科技大学的史青录、连晋毅等开发的挖掘机分析软件EXCA（10.0）可对反铲液压挖掘机工作装置、反铲轮胎挖掘机工作装置及挖掘装载机的悬挂式反铲工作装置进行几何结构设计、机构运动仿真及构件受力分析，可进行挖掘作业性能分析、最大挖掘力确定、整机稳定性分析、最不稳定姿态确定、起重作业分析及破碎作业分析；重庆大学陈进教授等在分析挖掘机挖掘性能的基础上，利用自主开发的基于VB的液压挖掘机反铲工作装置优化设计软件，对反铲液压挖掘机在主挖区内的可行挖掘角度区域（即可行域）内的挖掘性能进行了整体优化；另外，三一重工股份有限公司的李献杰、李作浩等在推导和分析液压挖掘机工作装置运动轨迹和受力规律的基础上，开发了工作装置挖掘性能可视化软件，该软件可快速准确地描绘出工作装置挖掘范围，并且该软件绘制的挖掘力云图可直观描述挖掘机在某一区域的挖掘性能。
从上述可以看出我国的挖掘机产品的竞争力在一步步增强，市场占有率也得到快速提升，近几年来总体上有了快速的发展。
(2)研究热点：挖掘机性能分析、挖掘机油压控制、挖掘机挖掘力分析，挖掘机结构性能优化。
(3) 重要的研究人员：Damian Derlukiewicz，陈进。
(4) 有价值的文献：
[1] Chen, Jin; Qing, Fei; Pang, Xiaoping. Mechanism optimal design of backhoe hydraulic excavator working device based on digging paths [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, v 28, n 1, p 213-222, January 2014.
[4] Liu, Jingang; Kuang, Shuizhang; Chen, Jianwen; Zhang, Xiaopeng; Xia, Linglin. Structural design and performance analysis of a lengthened working device of hydraulic excavator based on general hydraulic cylinder. Proceedings - 2013 International Conference on Information Technology and Applications, ITA 2013, p 354-357, 2013.

[6] Sébastien Rabeau,Philippe Dépincé,Fouad Bennis. Collaborative optimization of complex systems: a multidisciplinary approach[J]. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) . 2007 (4)
[7] S. Kodiyalam,R.J. Yang,L. Gu,C.-H. Tho. Multidisciplinary design optimization of a vehicle system in a scalable, high performance computing environment[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization . 2004 (3-4)
[8] 陈正利.我国挖掘机行业的形成与发展、现状及前景[J]. 建设机械技术与管理,2004,(11):25~29.
[18] 王平. 基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计. 机械工程学报.2011.2
[21] 郭银章. 机械产品协同设计过程的建模、控制与管理研究[D]. 太原科技大学 2011
[22] 任利.基于Isight的多学科设计优化平台的研究与实现. 山东科技大学硕士学位论文,2006.5.1
[23] 马敏静. 基于Isight的电子汽车衡的多学科设计优化. 山东科技大学硕士学位论文.2005.5.1

(5) 发展趋势：
小型液压挖掘机得到迅猛发展，现在最小的液压挖掘机机重仅为0.5～0.8t，功率为10KW，斗容量小于0.1m3。同时，发展大型和巨型液压挖掘机，以满足露天矿日益增长的需要。应用先进的设计理论和方法设计挖掘机，如有限寿命设计理论、疲劳损伤累计理论、断裂力学、优化设计、有限元法、有限寿命设计等。对工作装置、行走底架、回转平台优化结构，按应力分布不同而合理应用不同的钢材，减轻整机重量，降低制造成本，提高使用可靠性和寿命。

对课题研究的启示（值得研究的创新点）：
1. 通过对反铲液压挖掘机工作装置模型进行了运动学分析和动力学分析，推导出各个铰点的位置、油缸长度以及工作转角的关系。然后根据工作装置力学规律，推导出反铲液压挖掘机的挖掘阻力数学模型。
2. 建立的挖掘机挖掘阻力数学模型，用MATLAB编写挖掘阻力计算程序。同时采用MATLAB对实测所得的各个工况下得各液压缸压力、工作装置角度进行曲线拟合或插值。通过MATLAB计算出各个工况下的挖掘机阻力，得到挖掘机挖掘阻力载荷谱，并将其与实验室软件计算挖掘力进行分析比较。分析出该挖掘机理论挖掘力与实际挖掘阻力的匹配性。
3. 利用Isight软件集成MATLAB、ANSYS以及实验室软件，综合利用各软件有点，对液压挖掘机工作装置进行协同优化。
对本课程的评价和建议：
科技文献检索这门课程具有很强的实用性，尤其对研究生来讲，通过检索文献，获取对自己课题有帮助的内用极其重要。通过本门课程，我学会了如何更高效简便的查阅自己所需信息，例如：以前只会使用关键词简单的对文献进行检索，现在已经学会通过词组之间的逻辑关系来进行搜索或者通过参考文献进行向前和向后引文搜索，也可以根据在该领域有一定学术成果的学者来进行搜索。另外，通过本课程，更加明白了学校对数据库的投入，也明白了我校图书馆资源的丰富性和便捷性。总之，这门课为我今后的课题研究提供了太多方便，有助于我新知识的获取和学科发展的及时了解。
另外，也希望课程可以增加更多的实例，并能够结合时下的热点教学。如果可以让学生在电脑前边操作边学习，也许会取得更好的效果。