反鏟六連桿裝載機動臂的有限元分析及拓撲優化

婁玉印 熊 甜 于 瑛 韋學杰 丁雨潤 龍盛保

（柳州工學院，廣西 柳州545000）

1 概述

動臂作為裝載機的重要組成部分，其動力學特性直接影響裝載機的使用壽命和安全指標。裝載機在工作過程中，力學特性復雜，工況多變，難以保證整機的性能[1]。本文首先通過三維建模軟件建立裝載機工作裝置的三維模型；其次根據多體動力學理論對裝載機工作裝置進行動力學分析；再次利用有限元分析軟件Hypermesh 驗證其強度條件并對動臂進行拓撲優化；最后根據拓撲優化結果對動臂重新設計并再次對新的動臂結構進行有限元分析。結果表明：新型動臂結構較原來減少20%，滿足強度條件，該新型結構對企業的動臂研究與設計具有一定的指導價值[2]。

2 裝載機動力學分析

2.1 裝載機機構如圖1 所示：

圖1 裝載機裝置圖

2.2 受力分析

鏟斗的受力如圖2 所示[3]：

圖2 鏟斗力學分析

Fin- 鏟斗的插入阻力

Ftn- 刃板尖端的轉斗阻力

經計算得：Fin=116826N。

Ftn=66000N。

F'g=Fgcos15°=50000×cos15°=48296（N）

2.3 裝載機的動力學模型

裝載機的動力學模型如圖3 所示[4-5]：

圖3 裝載機工作裝置動力學模型

加載大小：

2.4 裝載機動臂動力學分析

2.4.1 動臂活塞與動臂連接處動力學分析。根據動力學分心得動臂活塞與動臂受力分析如圖4 所示：

圖4 動臂活塞與動臂連接處分析圖形

經分析得：裝載機動臂活塞與動臂連接處在運行時間6s 時受力最大為7.57E+005N。

2.4.2 動臂與拉桿連接處動力學分析。根據動力學分析軟件ADAMS 得動臂活塞與動臂受力分析如圖5 所示：

圖5 動臂與拉桿連接處分析圖形

經分析得：裝載機動臂與拉桿連接處在運行時間16s 時受力最大為95000N。

3 動臂有限元分析過程

動臂材料選用ZG40Cr，采用四面體單元三維實體SOLID92，采用6 級精度智能網格劃分方式得動臂有限元分析如圖6 所示所示：

圖6 動臂的應力云圖

由上述云圖得：動臂最大應力為55.2MPa，滿足強度條件。

4 動臂的拓撲優化

4.1 優化區域

如圖7 所示：紅色部位為優化區域，綠色部位為優化不變區域。

圖7 動臂的有限元優化模型

4.2 目標函數

以動臂質量最小為目標

4.3 有限元分析

經拓撲優化分析如圖8 得：

圖8 動臂的有限元拓撲優化

由拓撲優化結果可知，動臂的主要優化區域為動臂的左右兩側。

4.4 動臂再設計

重新設計動臂結構如圖9 所示：

圖9 動臂結構再設計

5 動臂優化后有限元分析

對新型設計動臂應力分析如圖10 所示：

圖10 新型動臂結構應力云圖

由上述分析得：

（1）新型動臂最大應力為72.1MPa，滿足強度條件。

（2）新型動臂重量較原來減少約20%，該結構對企業動臂設計有一定的指導意義。

6 結論

6.1 對裝載機動臂進行動力學分析，得出其動力學特性。

6.2 對裝載機動臂進行有限元分析，得出其強度特性。

6.3 對裝載機動臂進行優化設計，優化后新型動臂重量較原來減少約20%。