摘要：隨著科技水平的不斷提升，我國的工業(yè)機械設計改革得到了進一步的深化發(fā)展。但是，機械設備存在體積大、質量大、運輸困難的問題，仍然對工業(yè)生產(chǎn)、工程建設等造成諸多阻礙。故加強工程機械的輕量化設計，對推動我國工程機械設計改革深化有著重要的現(xiàn)實意義?；诖耍瑢p量化設計技術在工程機械設計中的應用進行了探討，以供參考。

關鍵詞：工程機械設計；輕量化技術；結構裝配1工程機械輕量化設計相關概述

工程機械的輕量化設計是在原有結構上，采用調(diào)整制造材料、改善制造工藝、優(yōu)化結構裝配方式等手段，實現(xiàn)對機械設備自重的有效降低，達到工程機械減重的效果。輕量化設計技術的應用關鍵在于同時實現(xiàn)工程機械的自重、耗能、成本的全面控制，提高工程機械的工程性能，達到提高機械設備工作性能與運行效率的目的。輕量化技術在工程機械設計中的應用具備較強的系統(tǒng)性，能夠在整體上實現(xiàn)對工程機械性能質量、制造成本等的有效優(yōu)化［1］。

2工程機械輕量化設計的現(xiàn)狀分析

在我國的工程機械設計過程中，輕量化技術應用前景廣闊，推動我國工程機械設計與制造領域實現(xiàn)綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。當前，我國工程機械輕量化設計理念越發(fā)深入貫徹到各個企業(yè)中，許多企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃逐步將輕量化設計納入重要規(guī)劃內(nèi)容。但整體而言，我國工程機械設計輕量化技術的應用仍然存在諸多難點，許多設計瓶頸難以突破。比如，許多工程機械設計人員的設計理念較為傳統(tǒng)、固化、保守，缺乏對輕量化設計的正確認識與準確把握，在實施輕量化設計過程中運用的手段較為單一、許多新型輕量化材料未能得到很好的利用、先進的輕量化工藝應用效果差強人意，普遍存在工程機械新舊型號重合的現(xiàn)象，輕量化設計存在著較大的發(fā)展空間。我國的工程機械輕量化設計現(xiàn)狀仍然處于發(fā)展的初級階段，許多核心技術體系的建設不夠完善，應用過程也存在急需攻克的難題，理論基礎仍待夯實。即便是一些應用了輕量化技術的工程機械設計，減重、增效、降耗等效果也與預期標準相去甚遠，此外，即便有些應用了輕量化技術的工程機械，在后續(xù)的使用過程中仍出現(xiàn)了性能下降的問題。由此可見，在當前我國的工程機械設計過程中輕量化技術的應用依然任重道遠，相關企業(yè)、技術人員需進一步提高重視程度，投入更多的資金資源、時間精力，加強對輕量化技術在工程機械設計中的應用研發(fā)與創(chuàng)新，推動我國工程機械設計改革的深化［2］。

3輕量化技術在工程機械設計中的應用

3.1輕量化材料的應用

在工程機械輕量化設計過程中，較為常用的輕量化材料主要包括以下幾種類型：

（1） 高強鋼。這種材料具有比一般鋼材料更高的剛度與抗疲勞強度，并且沖擊成型效果較好，尤其是具備一定的可焊接性與可涂漆性，在工程機械輕量化設計中有著較高的可應用性。鋼材料在工程機械制造中占比較大，采用高強度鋼能夠有效降低機械設備的質量，且提高了機械設備的結構強度與使用性能。

（2） 鋁合金材料。這種材料的自重較輕，甚至有些密度僅為鋼材料的30%，但是卻具備鋼材料2倍以上的能量吸收能力，在工程機械輕量化設計中的合理使用，能夠有效降低工程機械自重的同時，提高工程機械碰撞的安全性能，較好地滿足了工程機械輕量化設計需求。此外，鋁合金材料的彈性模量較低，擠壓性能較強，很好地彌補了機械設備結構剛性的不足。結合對加工裝配技術的應用，鋁合金提高了工程機械輕量化設計的可行性，尤其在駕駛室等關鍵部件的輕量化設計中有著較為廣泛的應用前景。

（3） 聚合物及復合材料。隨著科技的進步與發(fā)展，各類非金屬材料在工程機械輕量化設計中取得了優(yōu)異的成績。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，非金屬類材料既具有了美觀的特征，又達到了輕質的需求，這類材料自身造價成本較低，還具有較高的耐腐蝕性能，不僅可以有效降低工程機械的制造成本，還能保障工程機械的性能。目前，PP、PE、PVC、ABS、PA等工程塑料，以及一些復合材料是工程機械設計中應用最為普遍的非金屬材料。此外，碳纖維、玻璃纖維等高分子復合材料在工程機械牽引件、發(fā)動機罩等輕量化設計應用中取得了較為明顯的減震、降噪、美觀效果。

3.2輕量化工藝的應用

輕量化工藝的合理應用是實現(xiàn)工程機械輕量化設計的關鍵。通過將輕量化技術和各種新興科技有效結合，實施標準規(guī)范的機械噴壓、焊接、鎖錨等工藝措施，可達到提高工程機械設計精度和使用性能的目的。較為常見的輕量化工藝應用如下：

（1） 激光定制焊接工藝在工程機械輕量化設計中的應用具備較高的適配度，適用于多種施工方法、手段，尤其是能夠通過減少零件數(shù)量、零件薄化、去點焊法蘭等方式，實現(xiàn)較好的控制效果。

（2） 熱沖壓成型工藝主要應用于對高強度鋼材料狀態(tài)的轉化，將其沖壓成為工程機械設計所需的形狀，并提高構件的恒定壓力。其中在奧氏體化狀態(tài)下的高強鋼材料沖壓成模過程中，需要確保模具內(nèi)部的冷卻速度大于27 ℃/s，才能獲得較好的成型效果。

（3） 液壓成型工藝具備操作簡單、效率高的特點，在工程機械輕量化設計制造中的應用優(yōu)勢顯著，尤其是在可變形高強度材料輕量化設計與加工中的應用較為普遍。整個應用過程應重視材料預成型、成型、校準環(huán)節(jié)的質量控制。與壁薄液壓成型技術搭配應用，能夠實現(xiàn)對復雜零件、大型工件、凹槽較少的零件的輕量化加工。（4）鋁合金壓鑄新技術融合了對鋁合金材料的鑄造壓鑄、軋制、擠壓、沖壓等多個環(huán)節(jié)，很好地解決了材料變形、孔洞等表面缺陷問題，同時與沖壓壓鑄、無孔壓鑄、針孔壓鑄等先進技術的搭配應用，能夠實現(xiàn)輕量化部件性能的進一步提升。

3.3結構裝配優(yōu)化

輕量化材料、工藝的應用，大幅提高了我國工程機械設計的輕量化水平。加強對工程機械設計結構裝配方式的持續(xù)改進，能夠進一步提高工程機械設計的輕量化水平。在實際應用中，設計人員需加強先進設計理念的融合應用，加強對新型、先進工程機械設計與制造技術的積極探索與主動創(chuàng)新，不斷優(yōu)化機械的整體結構。在工程機械結構裝配優(yōu)化過程中，需重視對尺寸、冗余設備、部件的合理調(diào)整，實現(xiàn)對機械性能與輕量化設計之間關系的合理協(xié)調(diào)，提高工程機械設備的工作性能，實現(xiàn)高效的輕量化設計。具體而言，首先在初期設計階段，應用有限元分析（FEA）對機械結構進行力學性能評估。通過優(yōu)化設計軟件，進行結構分析，識別應力集中區(qū)域和潛在的結構弱點。這一過程可以幫助設計人員選擇合適的輕量化材料，如高強度鋁合金、鎂合金及復合材料，替代傳統(tǒng)材料，降低整體結構的質量。其次，采用拓撲優(yōu)化技術對結構進行改進。拓撲優(yōu)化通過在設計空間中識別材料分布的不必要部分，進而減少冗余，提高材料的使用效率。在此基礎上，結合實際工藝需求，調(diào)整設計參數(shù)，使得結構在承受預定負載的同時，達到最佳的質量強度比。此外，集成輕量化設計與制造工藝，如選擇高精度的數(shù)控加工和增材制造技術（3D打?。兄趯崿F(xiàn)復雜結構的輕量化設計。在結構裝配優(yōu)化過程中，需要重點關注部件的幾何尺寸與裝配公差。通過運用高精度的測量與控制技術，如激光掃描和三維測量系統(tǒng)，確保各部件的裝配精度和穩(wěn)定性。引入虛擬仿真技術進行裝配模擬，優(yōu)化裝配順序和工藝參數(shù)，能夠有效提升裝配效率和結構的整體性能［3］。

3.4仿真設計

在工程機械輕量化設計領域，仿真設計的發(fā)展趨勢較為明顯。借助仿真技術，以虛擬的方式對輕量化材料、工藝的應用進行最優(yōu)配置模擬，精細化調(diào)整相關設計參數(shù)，提高設計方案的合理性，實現(xiàn)對工程機械設計的整體優(yōu)化。在工程機械輕量化設計過程中，仿真設計的實施步驟包括幾個關鍵環(huán)節(jié)：

（1） 在進行輕量化設計之前，需要對材料的性能及其在不同負載下的行為進行詳盡的建模。利用有限元分析（FEA）技術，對輕量化材料的力學性能、疲勞壽命以及熱傳導特性的模擬，能夠精確預測這些材料在實際應用中的表現(xiàn)。具體操作包括建立材料的多尺度模型，通過微觀結構模擬材料的宏觀性能，并結合實際的工況數(shù)據(jù)來進行模型的校準和驗證。

（2） 在仿真設計中，需要對工程機械的整體結構進行詳細的建模。這包括對機械部件的幾何特征、連接方式及運動學特性進行精確的定義。通過運用多體動力學（MBD）仿真技術，可以對機械系統(tǒng)的動態(tài)響應進行分析，如受力分析、振動分析以及動態(tài)負載下的行為預測。此階段的仿真可以幫助識別設計中的潛在弱點，進行結構優(yōu)化以減輕重量，同時保持所需的強度和穩(wěn)定性。

（3） 進行工藝仿真以評估制造過程中可能出現(xiàn)的偏差對輕量化設計的影響。通過計算流體動力學（CFD）模擬流體在生產(chǎn)過程中的行為，如冷卻液的流動和材料的流動性，可以優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，提高材料的加工質量和效率，從而保證輕量化設計的實施效果。

（4） 借助大數(shù)據(jù)分析技術，對仿真過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行處理和分析。利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法對設計參數(shù)進行優(yōu)化，生成具有高精度的設計方案。結合優(yōu)化算法，能夠在設計階段對工程機械的結構進行全面優(yōu)化，最終實現(xiàn)輕量化設計的目標。這些仿真設計步驟通過在虛擬環(huán)境中的模擬測試，為實際工程機械的輕量化設計提供了科學依據(jù)和技術保障。

4結語

在工程機械設計中，輕量化技術的應用具有顯著的現(xiàn)實意義和廣闊的前景。材料的優(yōu)化選擇、先進工藝的應用和結構裝配的改進，都可以有效降低機械設備的質量，提高其性能和效率。然而，當前輕量化技術的應用仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括設計理念的落后、材料利用的不充分以及技術的瓶頸等。未來，需進一步加強對輕量化技術的研究與創(chuàng)新，結合仿真設計和先進制造技術，推動工程機械設計的深化改革，實現(xiàn)綠色節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

［1］蔡啟超.工程機械設計中輕量化技術的應用研究［J］.中國設備工程，2022（15）：225-227.

［2］何秀軍.工程機械設計中輕量化技術的應用［J］.內(nèi)燃機與配件，2021（17）：35-36.

［3］張列.機械結構優(yōu)化設計的分析及探討［J］.現(xiàn)代鹽化工，2022，49（1）：80-81.

作者簡介：燕通，男，河北邢臺人，機械工程師，本科，從事工程機械、柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機的相關技術與服務工作。