變密度法在挖掘機(jī)動(dòng)臂輕量化設(shè)計(jì)中的分析與應(yīng)用

鄧志勇，熊昌炯，洪　昊，吳　龍，5

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明365004；3.綠色鑄鍛及其高端零部件制造福建省協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明 365004；5.福建三明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站，福建 三明 365500）

變密度法在挖掘機(jī)動(dòng)臂輕量化設(shè)計(jì)中的分析與應(yīng)用

鄧志勇1，2，3，4，熊昌炯1，2，3，4，洪昊1，2，3，4，吳龍1，2，3，4，5

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明365004；3.綠色鑄鍛及其高端零部件制造福建省協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明 365004；5.福建三明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站，福建 三明 365500）

基于多體動(dòng)力學(xué)的基本原理，建立了挖掘機(jī)工作裝置的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。?dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)采用變密度法，以動(dòng)臂重量最小化為目標(biāo)函數(shù)，以動(dòng)臂各單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，強(qiáng)度和剛度為約束條件。根據(jù)計(jì)算后得到的相對(duì)密度云圖對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的動(dòng)臂減重最高可達(dá)30.8%。對(duì)比分析了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)前后動(dòng)臂在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)，應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示優(yōu)化后動(dòng)臂的應(yīng)力和位移均有小幅增大，但均在許用值范圍內(nèi)，結(jié)果表明該優(yōu)化方法是可行的。

變密度法；多體動(dòng)力學(xué)；剛?cè)狁詈希惠p量化設(shè)計(jì)

動(dòng)臂是挖掘機(jī)的主要工作裝置之一，它與斗杠共同支配挖斗對(duì)土壤的挖掘和裝車等動(dòng)作。動(dòng)臂上端與機(jī)架相連，由多塊鋼板焊接成箱式中空結(jié)構(gòu)，相對(duì)于斗杠（小臂）而言，其臂較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)尺寸較大，故又被稱為大臂。挖掘機(jī)工作裝置通常重量較大，其中，動(dòng)臂重量可達(dá)整個(gè)工作裝置的三分之一以上，較大的自重不僅使工作裝置動(dòng)作緩慢，原材料、加工成本相應(yīng)增高，而且也影響到產(chǎn)品的油耗和排放等重要性能。

輕量化是目前一項(xiàng)比較成熟的工程技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車車身和車架等優(yōu)化設(shè)計(jì)之中［1-5］。挖掘機(jī)輕量化設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的需求，在滿足挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行下結(jié)構(gòu)可靠性和安全性要求的同時(shí)，降低其零部件的重量。合理的輕量化設(shè)計(jì)不僅能減少用材降低企業(yè)成本，而且還能有效降低油耗減少排放，從而為市場(chǎng)和社會(huì)提供更有效地節(jié)能產(chǎn)品，因此，挖掘機(jī)輕量化對(duì)節(jié)能減排具有非常重要的意義。許多學(xué)者和專業(yè)人員對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗杠和挖斗等工作裝置的結(jié)構(gòu)可靠性和安全性進(jìn)行了大量研究和分析。陳艷，蘇琦和祖揮程等人運(yùn)用ANSYS和ABAQUS等大型有限元軟件，分析了動(dòng)臂在典型危險(xiǎn)工況下的靜態(tài)應(yīng)力和位移，指出了動(dòng)臂容易失效的位置，并對(duì)設(shè)計(jì)后挖掘機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全校驗(yàn)［6-9］。蔣美華等人對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了靜力分析，并結(jié)合實(shí)際使用中的容易破壞形式，指出了在制造和焊接加工中存在的問題，提出了選材、增加加強(qiáng)筋、提高焊接質(zhì)量以及強(qiáng)化處理等改進(jìn)措施［10］。向琴等人建立了動(dòng)臂優(yōu)化模型，以動(dòng)臂體積最小為目標(biāo)函數(shù)，以動(dòng)臂箱式結(jié)構(gòu)中的多個(gè)焊接板塊厚度為設(shè)計(jì)變量，機(jī)械強(qiáng)度為約束條件，對(duì)組成動(dòng)臂的各個(gè)鋼板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)臂減重8.3%［11］。目前，大部分文獻(xiàn)和研究主要集中于典型工況下的瞬態(tài)靜力分析，而對(duì)挖掘機(jī)某個(gè)作業(yè)動(dòng)作一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析較少，分析的結(jié)果僅局限于對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和安全校驗(yàn)，涉及的輕量化設(shè)計(jì)研究不多，且主要是在保證安全的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)中的板厚大小進(jìn)行分析和優(yōu)化，因此輕量化的效果并不明顯。

1　基于變密度法的動(dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

變密度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是采用有限元方法，將結(jié)構(gòu)件劃分為許多小單元，以每個(gè)單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，所有單元的相對(duì)密度值介于0和1之間。其中，0代表該單元被優(yōu)化刪除，1代表該單元保留，密度介于0和1之間的單元是一種相對(duì)模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［12］。當(dāng)設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化相對(duì)密度閥值時(shí)，低于該閥值的單元即被刪除，保留下來的所有單元即為拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)，這樣，通過相對(duì)密度就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。采用變密度法對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮3個(gè)基本要素：目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束條件。以動(dòng)臂重量最小化為目標(biāo)函數(shù)，以動(dòng)臂各單元的相對(duì)密度x為設(shè)計(jì)變量，強(qiáng)度和剛度為約束條件，因此，動(dòng)臂的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為［13］：

動(dòng)臂質(zhì)量最小化：

式中：M為動(dòng)臂的質(zhì)量，xi為動(dòng)臂單元第i個(gè)相對(duì)密度值。

動(dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化的約束條件：

（1）強(qiáng)度條件（強(qiáng)度要求動(dòng)臂工作時(shí)能承受相應(yīng)的動(dòng)載荷，根據(jù)文獻(xiàn)［11］選擇挖掘機(jī)動(dòng)臂強(qiáng)度安全系數(shù)為1.8）：h1（x）=σj（x）-［σ］≤0 1.8

式中：σj（x）為動(dòng)臂第j個(gè)單元的應(yīng)力值；［σ］為動(dòng)臂鋼板的許用應(yīng)力值，其鋼板材料為16 Mn，許用應(yīng)力值為345 MPa。

（2）剛度條件（要求動(dòng)臂鋼板最大變形量δ（x）不大于其許用變形量［δ］，其中，［δ］=15 mm［11］）:

2　工作臂剛?cè)狁詈嫌邢拊治?/h2>

2.1工作臂剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的建立

某挖掘機(jī)工作臂有限元結(jié)構(gòu)如圖1所示，該工作臂臂長(zhǎng)約7.674 m，總重1888.958 kg，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)量為102689個(gè)，鋼板材料為16 Mn，密度為7800 kg/m3，彈性模量為2.08×1011Pa，泊松比為0.3。工作臂主要由3部分組成：上支臂（動(dòng)臂），下支臂（斗杠）和挖斗。其中，前上支臂重量為655.207 kg，它由兩個(gè)支撐固定，其通過上支臂控制器1和2推動(dòng)下支臂繞上支臂左端連接軸做一定幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，上支臂模型如圖2所示；同樣，下支臂通過下支臂控制器1和2推動(dòng)挖斗控制連接桿、控制臂連接桿，使挖斗繞下支臂左端連接軸做一定幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)挖斗的挖土運(yùn)動(dòng)。工作臂剛?cè)狁詈嫌邢拊Ｐ腿鐖D3所示，設(shè)置上支臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型為PFBODY（即柔性體，如圖3中白色線條輪廓所示），根據(jù)變密度法原理可知，輕量化設(shè)計(jì)過程中，在約束條件允許的范圍內(nèi)，柔性體的相對(duì)密度可在介于0和1之間變動(dòng)，從而將上支臂設(shè)置為待優(yōu)化的目標(biāo)；設(shè)置其余9個(gè)構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型為PRBODY（即剛性體），剛性體相對(duì)密度為常數(shù)1，在輕量化設(shè)計(jì)中也參與多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不改變。

圖1　挖掘機(jī)工作臂有限元結(jié)構(gòu)

圖2　上支臂（動(dòng)臂）有限元結(jié)構(gòu)

圖3　挖掘機(jī)工作臂剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2.2約束和載荷的設(shè)定

模型中各構(gòu)件連接和運(yùn)動(dòng)約束情況如下：該工作臂由10個(gè)構(gòu)件連接而成，下支臂控制桿1與下支臂控制桿2之間、上支臂控制桿1與上支臂控制桿2之間沿各自軸心線分別設(shè)置1個(gè)移動(dòng)副，限制其余5個(gè)自由度，模型中約束的設(shè)置如圖3中的TRANS符號(hào)所示；挖斗與挖斗控制連接桿、挖斗與下支臂、下支臂與控制臂連接桿、挖斗控制連接桿與控制臂連接桿和下支臂控制桿1、下支臂與下支臂控制桿2、下支臂與上支臂控制桿1、上支臂與下支臂、上支臂與上支臂控制桿2之間分別設(shè)置繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即設(shè)置相互連接的兩構(gòu)件繞它們之間轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，限制其余5個(gè)自由度，模型中設(shè)置的銷軸連接和約束分別如圖3中的RBE2和REV符號(hào)所示；構(gòu)件上支臂支撐限制了上支臂所有自由度。

由于挖掘機(jī)工作臂連續(xù)工作載荷十分復(fù)雜，因此，許多文獻(xiàn)通常選擇特定的危險(xiǎn)工況進(jìn)行瞬態(tài)靜力分析［6-10］。由于此次分析和研究的重點(diǎn)是變密度法在輕量化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，為了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)載荷下動(dòng)臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)載荷做如下簡(jiǎn)化［14］：

（1）由于工作臂總重量達(dá)1.8 t，忽略了鏟斗土壤的重量，分析中僅考慮工作臂的重力；

（2）從工作臂重力和液壓缸扭矩的角度施加載荷。由于挖掘阻力與工作臂各構(gòu)件重力、斗杠挖掘力和鏟斗挖掘力共同形成平衡力矩，故只需施加工作臂重力和挖掘力即可；

（3）忽略了斗杠挖掘力和鏟斗挖掘力單獨(dú)作業(yè)的情況。挖掘力來自上下支臂控制器的液壓缸，可分為斗杠挖掘力（由上支臂控制器的液壓缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生）和鏟斗挖掘力（由下支臂控制器的液壓缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生），通常是斗杠液壓缸和鏟斗液壓缸的共同作用的合力，故著重分析復(fù)合作用下的挖掘力；

（4）挖掘機(jī)工作分析有許多方面，如工作臂運(yùn)動(dòng)分析，挖掘作業(yè)分析、挖掘阻力分析、起重作業(yè)分析、回轉(zhuǎn)分析和裝車作業(yè)分析，整個(gè)連貫作業(yè)的周期約10 s左右，此次只進(jìn)行挖掘動(dòng)作分析，時(shí)間約為1 s。

載荷設(shè)置步驟如下：首先，選擇工作臂所有構(gòu)件并創(chuàng)建重力卡片GRAV，完成工作臂重力的設(shè)置，并施加于工作臂上；挖掘機(jī)工作時(shí)，挖掘力的設(shè)置通過液壓缸來實(shí)現(xiàn)，參考文獻(xiàn)14設(shè)置復(fù)合挖掘力，即斗杠挖掘力和鏟斗挖掘力共同作用產(chǎn)生挖掘力，創(chuàng)建控制卡片，編寫相關(guān)程序，設(shè)置液壓缸驅(qū)動(dòng)下支臂控制桿1和上支臂控制桿1同時(shí)以v=0.5×T（0≤T≤1s，時(shí)間T的步長(zhǎng)為0.01s）的速度沿各自軸心線分別推動(dòng)挖斗控制連接桿和下支臂，這樣使得挖斗繞下支臂旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)并相應(yīng)產(chǎn)生力矩，從而完成挖斗的挖掘動(dòng)作。

2.3動(dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置

以挖掘機(jī)上支臂設(shè)計(jì)域的重量最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，上支臂中各單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，上支臂許用應(yīng)力值和變形值為約束函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)的公式和數(shù)值見第2節(jié)動(dòng)臂的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型之中）。將目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量和約束函數(shù)分別輸入軟件的objective、responses 和dconstraints模塊中，完成動(dòng)臂拓?fù)鋬?yōu)化的前處理環(huán)節(jié)后，運(yùn)行后處理器開始運(yùn)算。

3　優(yōu)化前后結(jié)果分析

3.1動(dòng)臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用變密度法拓?fù)鋬?yōu)化后，動(dòng)臂相對(duì)密度分布情況如圖4所示，彩色云圖中藍(lán)色部分的密度值較低，紅色部分的密度值較高，根據(jù)變密度法的基本原理，在紅色條紋輪廓清晰明顯的情況下，充分考慮柔性體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳力路徑和基本結(jié)構(gòu)后，可去除藍(lán)色部分的實(shí)體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，上支臂的主要4個(gè)表面都在不同程度上進(jìn)行對(duì)稱的開孔和挖槽，據(jù)此去除動(dòng)臂鋼板上相關(guān)實(shí)體材料，重新建立有限元模型，最終優(yōu)化后的動(dòng)臂實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖6所示。分析結(jié)果顯示，拓?fù)鋬?yōu)化根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)和最佳傳力路徑，動(dòng)臂重量可由 655.207 kg最多減小到453.383kg，減重最高可達(dá)30.8%。

圖4　挖掘機(jī)工作臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)密度分布情況

圖5　拓?fù)鋬?yōu)化后的工作臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2動(dòng)臂優(yōu)化前后連續(xù)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析

為了便于對(duì)比動(dòng)臂優(yōu)化前后的應(yīng)力和位移動(dòng)態(tài)變化情況，統(tǒng)一設(shè)置有限元云圖中彩色條紋對(duì)應(yīng)的數(shù)值區(qū)間，設(shè)置應(yīng)力條紋區(qū)間為-2.2～2.2 MPa，位移條紋區(qū)間為0～1.720 mm。動(dòng)臂優(yōu)化前von Mises應(yīng)力分布情況如圖7所示，該圖顯示的是0.07 s時(shí)刻，即動(dòng)臂的動(dòng)態(tài)最大von Mises拉應(yīng)力和壓應(yīng)力達(dá)到極值時(shí)刻時(shí)的整體應(yīng)力分布情況，圖中左邊顯示的是整體視圖，右邊為局部放大視圖，從右邊的局部視圖可知在0.07 s時(shí)刻動(dòng)態(tài)vonMises拉壓應(yīng)力極值出現(xiàn)在動(dòng)臂與動(dòng)臂液壓缸連接座前后，數(shù)值大小分別為16.23和-12.47 MPa。如圖8所示，拓?fù)鋬?yōu)化后，動(dòng)臂在0.12 s時(shí)刻動(dòng)態(tài)最大von Mises拉應(yīng)力和壓應(yīng)力達(dá)到極值，位置出現(xiàn)在動(dòng)臂上部和側(cè)邊鋼板的邊緣，數(shù)值大小分別為20.73和-18.87 MPa。圖9和圖10顯示的是在設(shè)定的連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)，優(yōu)化前后動(dòng)臂動(dòng)態(tài)最大von Mises拉應(yīng)力和壓應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化對(duì)比情況，從這兩個(gè)圖可以看出，雖然動(dòng)臂優(yōu)化后的最大von Mises拉應(yīng)力和壓應(yīng)力整體曲線數(shù)值均比優(yōu)化前略有增大，但其中的極值20.73和-18.87 MPa均小于之前參考設(shè)定的許用應(yīng)力191 MPa，更重要的是通過優(yōu)化已實(shí)現(xiàn)了動(dòng)臂的輕量化目標(biāo)。

圖6　拓?fù)鋬?yōu)化后的動(dòng)臂實(shí)體結(jié)構(gòu)

圖7　拓?fù)鋬?yōu)化前0.07s時(shí)刻動(dòng)臂的von Mises拉壓應(yīng)力云圖

圖8　拓?fù)鋬?yōu)化后0.12s時(shí)刻動(dòng)臂的von Mises拉壓應(yīng)力云圖

圖9　優(yōu)化前后動(dòng)態(tài)最大von Mises拉應(yīng)力對(duì)比

圖10　優(yōu)化前后動(dòng)態(tài)最大von Mises壓應(yīng)力對(duì)比

圖11顯示了拓?fù)鋬?yōu)化前動(dòng)臂在0.1 s時(shí)刻動(dòng)態(tài)最大位移達(dá)到極值時(shí)的位移分布云圖，從該圖右側(cè)的局部視圖可知，極值位移出現(xiàn)在動(dòng)臂與斗杠連接的部位，動(dòng)態(tài)最大位移值為0.915 mm；圖12顯示了拓?fù)鋬?yōu)化后在0.14 s時(shí)刻動(dòng)態(tài)最大位移達(dá)到極值時(shí)的位移分布云圖，位移極值出現(xiàn)部位與優(yōu)化前相同，動(dòng)態(tài)最大位移值為1.720 mm。圖13是工作時(shí)間區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化前后動(dòng)臂動(dòng)態(tài)最大位移對(duì)比情況，從圖中可以看出優(yōu)化后動(dòng)臂動(dòng)態(tài)最大位移略有增大，但同樣小于之前設(shè)定的許用位移15mm。

圖11　拓?fù)鋬?yōu)化前0.1s時(shí)刻動(dòng)臂的位移云圖

圖12　拓?fù)鋬?yōu)化后0.14s時(shí)刻動(dòng)臂的位移云圖

4　結(jié)論

輕量化設(shè)計(jì)不僅能大幅減輕動(dòng)臂的重量，減少耗材降低成本，而且還達(dá)到節(jié)能減排的目的。在相同動(dòng)力源下，減重后的動(dòng)臂操作和作業(yè)將更加靈敏，工作效率得到提高，因此輕量化設(shè)計(jì)是提升挖掘機(jī)產(chǎn)品性能和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要方法。在設(shè)定的工作時(shí)間區(qū)間內(nèi)，建立剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)比分析了拓?fù)鋬?yōu)化前后動(dòng)臂的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變，研究結(jié)果表明：

圖13　拓?fù)鋬?yōu)化前后動(dòng)臂動(dòng)態(tài)最大位移對(duì)比

（1）基于變密度法的輕量化設(shè)計(jì)是可行的。采用變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)能計(jì)算出動(dòng)臂良好的傳力路徑，在設(shè)定的約束條件下，計(jì)算得到的相對(duì)密度云圖能快速為輕量化設(shè)計(jì)提供可靠的指導(dǎo)和參考，避免了人工優(yōu)化設(shè)計(jì)的盲目性。雖然拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的動(dòng)臂動(dòng)態(tài)最大von Mises拉應(yīng)力和壓應(yīng)力整體曲線數(shù)值均比優(yōu)化前略有增大，極值為20.73和-18.87 MPa，但均小于16 Mn的參考許用應(yīng)力191 MPa，位移也在許可范圍之內(nèi)，極值應(yīng)力和位移分別出現(xiàn)在動(dòng)臂和斗杠液壓油缸連接處、動(dòng)臂和斗杠連接處，分析中比較有意義的是理論上動(dòng)臂重量由655.207 kg最多可減小到453.383 kg，減重最高可達(dá)30.8%。

（2）剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的建立進(jìn)一步完善了以往常用的瞬態(tài)靜力分析。以動(dòng)臂為柔性體，工作臂其余9個(gè)構(gòu)件為剛性體，并結(jié)合軟件多體動(dòng)力模塊，建立了包括動(dòng)臂在內(nèi)的整個(gè)工作臂結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，可對(duì)動(dòng)臂在參考設(shè)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)有限元分析。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Analysis and Application on Variable Density Method in the Process of the Excavator Boom Lightweight Design

DENG Zhi-yong1，2，3，4，5，XIONG Chang-jiong1，2，3，4，5，HONG Hao1，2，3，4，5，WU Long1，2，3，4，5，6

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.Engineering Research Center of Mechanical Modern Design and Manufacture in Fujian Province，Sanming 365004，China；3.CollaborativeInnovationCenterofGreenCasting-forgingIndustryandHigh-endPartsinFujianProvince，Sanming365004，China；4.Engineering Technology Research Center of Casting-Forging Parts Manufacturing in Fujian Province，Sanming 365004，China；5.Post-doctoral Research Station of Fujian Sanming High-tech Industrial Development Zone in Sanming，F(xiàn)ujian Province，Sanming 365500，China）

Based on the principle of multi-body dynamics，the rigid-flexible coupling model of excavator working device is established.Topology optimization design on boom is performed by the method of variable density design，with the boom weight minimization as the objective function，strength and stiffness as the constraint conditions.Lightweight design is implemented in the boom based on the relative density contours calculated，so the weight reduction of the boom optimized can be up to 30.8%.Within the specified time，the trends on dynamic stress-strain curve between the optimized boom and the original boom are compared and analyzed，the stress-strain curve indicates that stresses and displacements of the optimized boom are slightly increased，but they are within the allowable range of values，the results show that the optimization method is feasible.

variable density method；multi-body dynamics；rigid-flexible coupling；lightweight design

TU621

A

1673-4343（2016）02-0066-08

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.011

2015-11-28

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目（CB201003/Q）；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013M541851）；福建省科技廳高校產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目（2012H6018）；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012J01232）；福建省高校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（JA13290）

鄧志勇，男，福建建甌人，講師，博士研究生。主要研究方向：汽車結(jié)構(gòu)與安全。