[发明专利]一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构

权利要求书

1.一种装载机动臂轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：动臂结构几何模型离散化，采取六面体实体单元对动臂结构进行网格划分，建立有限元分析模型；

步骤二：在上述有限元分析模型下，对动臂结构在各工作工况下的初始结构进行有限元静力学分析，并获取刚强度指标的初始值；

步骤三：以有限元静力学分析结果为基础，对各工作工况下的动臂结构进行传力路径优化，得到试验轻量化动臂结构；

步骤四：圆整、校核试验轻量化动臂结构，再次进行有限元静力学分析，计算轻量化后刚强度指标优化值，评估刚强度指标的优化值与初始值，若刚强度指标评估满足要求，则进行步骤五，若刚强度指标评估不满足要求，则进行步骤三。

步骤五：输出试验轻量化动臂结构为最终轻量化方案。

2.根据权利要求1所述的一种装载机动臂轻量化设计方法，其特征在于，所述有限元静力学分析具体包括以下步骤：

平衡方程：KU＝P

几何方程：

本构方程{σ}＝[D]{ε}

动臂结构应力指标采用等效应力理论进行计算，原理如下：

其中，K为刚度矩阵；U为位移矩阵，其3个方向位移x、y、z分别用u、v、w表示；P为载荷矩阵；ε为结构应变，其3个方向线应变分别为ε_x、ε_y、ε_z，三个方向剪应变分别为τ_xy、τ_xz、τ_yz；σ为结构应力，[D]为弹性系数矩阵，其数值决定于所采用的材料参数；x、y、z三个方向应力为σ_x、σ_y、σ_z；

动臂结构最大位移

动臂结构最大应力s＝max{σ_i}，

其中i，j，k＝1,2……m，m为结构节点总数量。

3.根据权利要求2所述的一种装载机动臂轻量化设计方法，其特征在于，所述刚强度指标包括：综合刚度和综合强度，综合刚度为对应工况下的动臂结构最大位移与相应权重系数的求和值，综合强度为对应工况下的动臂结构最大应力与相应权重系数的求和值。

4.根据权利要求1所述的一种装载机动臂轻量化设计方法，其特征在于，所述动臂结构进行传力路径优化的具体方法为：以动臂板的材料密度为设计变量，以动臂结构的结构应变能最小为目标函数，对传力路径进行优化，在满足动臂结构刚强最大，位移最小的情况下进行动臂结构材料的去除；

其优化方程如下：

l_min≤l_i≤1 i＝1,2,……，n

其中，a为设计变量向量，表示动臂板实体单元材料的相对密度；a_i为第i个实体单元的相对密度；

n为动臂板实体单元总数目；

c(a)为动臂板的结构应变能；

k₀为实体单元的单元刚度阵；

l_i为第i个实体单元位移矢量；

l_i^T为第i个实体单元位移矢量的转置；

(V₀)_i为第i个实体单元材料的体积；

f_V为给定的材料体积分数比；

l_min为远小于1的正实数，表示单元材料相对密度的下线；

p为惩罚函数。