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(yōu)化；最后根據拓撲優(yōu)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(yè)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(yōu)化

4.1 優(yōu)化區(qū)域

如圖7 所示：紅色部位為優(yōu)化區(qū)域，綠色部位為優(yōu)化不變區(qū)域。

圖7 動臂的有限元優(yōu)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(yōu)化分析如圖8 得：

圖8 動臂的有限元拓撲優(yōu)化

由拓撲優(yōu)化結果可知，動臂的主要優(yōu)化區(qū)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(yōu)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(yè)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(yōu)化設計，優(yōu)化后新型動臂重量較原來減少約20%。