[发明专利]一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构

说明书

本发明公开了一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构，包括以下步骤：几何模型离散化；基于多工况的结构有限元静力学分析，对传力路径进行优化，得到同时满足多工况下的轻量化设计方案；轻量化方案尺寸圆整与多工况校核，根据工况权重系数计算综合工况的刚强度数据，完成结果评估，输出最终轻量化方案。本发明还公开一种装载机轻量化动臂结构形式，包括对称布置的两动臂板，动臂板上分布有若干减重孔。本发明通过对动臂结构的多工况传力路径优化、校核及评估，实现了材料的合理布局，在保证结构刚强度和易于加工制造性的要求下，大幅减少结构重量，缩短了研发周期，提升了整机的操控灵便性，降低了用户劳动强度与使用成本。

技术领域

本发明公开了一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构，涉及工程机械装载机技术领域。

背景技术

装载机是一种铲装运输机械，用于铲装或运输煤炭、矿石、松土、玉米等物料，具有作业速度快、效率高、机动性能好、操作轻便等优点，因此成为现在机械化工程中不可缺少的装备之一。

典型的装载机工作装置主要由铲斗、动臂、连杆、摇臂、翻斗油缸和动臂油缸组成。工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数，因此，工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、发动机功率等。动臂作为工作装置中主要结构支撑件，其性能优劣将对工作装置产生直接影响。

超大吨位装载机的研发技术大多掌握在欧美日等发达国家手里，我国装载机在结构轻量化设计等方面仍存在一定差距，过去动臂的设计大多采用经验和类比的设计方法，在没有以合适的强度和刚度计算校核为指导依据的情况下，为保证动臂结构的安全性，通常将整体结构加宽加厚，其导致的直接后果是，动臂结构笨重，结构强度比不协调，工作装置重量增大，这大大影响了装载机操作的灵活性及装载量，增大耗油量、降低整车的经济性能同时对环境造成更大的污染。因此，对动臂结构尤其是超大吨位装载机动臂结构进行轻量化设计势在必行，各厂家都在不断探索各种轻量化的途径。

近年来，国外工程机械厂家为了应对日益激烈的全球竞争，进一步向轻量化发展，大多采用高强度耐磨材料实现结构的轻量化，但却大大增加了成本。传力路径优化主要是在结构上开孔、去除不必要材料来优化配置节点连接关系，实现在设计区域内材料的合理布局。这种材料数量和位置的调整，可以使结构支撑位置在受到施加载荷情况下，保证在满足刚强度等约束条件的限制下，实现轻量化设计，但对于多工况的轻量化设计方法目前研究尚不多见。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构，在保证结构刚强度的要求下，大幅减少结构重量，提升整机的操控灵便性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种装载机动臂轻量化设计方法，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刚度、材料体分比进行迭代，进行传力路径优化，得到满足优化目标的动臂结构轻量化设计云图，保留传力路径上必需的材料，去除非必要材料，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。

进一步的，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：