基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的大型液壓挖掘機(jī)斗桿新型結(jié)構(gòu)

寧曉斌 劉亞冉 李 頡 李 光 李佳林

1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州,3100142.英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院航空系，倫敦，SW72AZ 3.太原重工股份有限公司,太原,030024

基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的大型液壓挖掘機(jī)斗桿新型結(jié)構(gòu)

寧曉斌1劉亞冉1李 頡2李 光3李佳林3

1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州,3100142.英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院航空系，倫敦，SW72AZ 3.太原重工股份有限公司,太原,030024

以斗桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為基準(zhǔn)，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，設(shè)計(jì)了大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置斗桿新結(jié)構(gòu)。采用離散元方法，構(gòu)建礦山巖石模型，獲得鏟斗挖掘阻力；采用多體動(dòng)力學(xué)方法，搭建大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，獲得挖掘機(jī)斗桿挖掘工況斗桿動(dòng)態(tài)載荷，并對(duì)斗桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；采用SIMP插值函數(shù)的變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法，在有限元中對(duì)斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，獲得大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置新型斗桿結(jié)構(gòu)；對(duì)新型斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，斗桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保持原有水平。研究結(jié)果表明，通過拓?fù)鋬?yōu)化后得到的新型斗桿，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與類比設(shè)計(jì)一致，但質(zhì)量減小。

有限元；拓?fù)鋬?yōu)化；變密度法；挖掘機(jī)

0 引言

隨著礦山設(shè)備高效、低排放需求，采掘設(shè)備向大型化發(fā)展，國(guó)內(nèi)超過200 t大型液壓挖掘機(jī)保有量持續(xù)增加，但國(guó)產(chǎn)僅有WYD260大型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行礦山作業(yè)。該挖掘機(jī)整機(jī)質(zhì)量260 t，鏟斗容量15 m3，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為1000 kW；而進(jìn)口鏟斗容量15 m3的液壓挖掘機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率僅為700～750 kW，由此可知，我國(guó)大型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)仍然與國(guó)外存在差距。

由于大型液壓挖掘機(jī)被卡特彼勒、小松、利勃海爾和日立四大工程機(jī)械公司壟斷，大型液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)方法從未公開，國(guó)內(nèi)大型液壓挖掘機(jī)核心技術(shù)掌握不夠。與大型液壓挖掘機(jī)不同,小型挖掘機(jī)作業(yè)對(duì)象主要是沙土。以小型反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置質(zhì)量和耐久性為目標(biāo)，KIM[1]開發(fā)了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及程序，能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)工作裝置的自動(dòng)設(shè)計(jì)，包括有限元自動(dòng)建模、應(yīng)力分析，疲勞壽命計(jì)算，形狀和厚度的優(yōu)化；PARK[2]以可靠的動(dòng)臂疲勞強(qiáng)度和較低的生產(chǎn)成本為優(yōu)化目標(biāo)，基于應(yīng)力分析獲得應(yīng)力分布，重新配置動(dòng)臂結(jié)構(gòu)，得到一個(gè)較為合理的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)；?ZGEN[3]運(yùn)用一種柔性優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合遺傳算法對(duì)小型液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂進(jìn)行形貌優(yōu)化研究，優(yōu)化后的動(dòng)臂在滿足強(qiáng)度與可靠性的條件下，減輕了質(zhì)量；WU等[4]運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，對(duì)小型挖掘機(jī)動(dòng)臂內(nèi)部加強(qiáng)筋重新布置，減輕了動(dòng)臂應(yīng)力集中問題；鄧志勇等[5]以小型反鏟挖掘機(jī)動(dòng)臂質(zhì)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，采用變密度法，對(duì)動(dòng)臂進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。周全[6]利用有限元優(yōu)化方法對(duì)WYD260挖掘機(jī)的斗桿進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，但未提出完善的斗桿結(jié)構(gòu)。針對(duì)小型液壓挖掘機(jī)工作裝置的研究主要集中在靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，而大型液壓挖掘機(jī)在礦山的作業(yè)對(duì)象主要是松散巖石，工作裝置沖擊載荷大，為研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型液壓挖掘機(jī)，本文探索了大型液壓挖掘機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。太原重工股份有限公司研制的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大型液壓挖掘機(jī)WYD260在準(zhǔn)格爾某礦山投產(chǎn)，整機(jī)性能穩(wěn)定，鏟裝巖石滿斗率90%以上[7-8]。該公司以WYD260為基礎(chǔ)，研制了WYD390型(整機(jī)質(zhì)量390 t，鏟斗容量22 m3)挖掘機(jī)[9-10]，并正在研發(fā)WYD600型(整機(jī)質(zhì)量600 t，鏟斗容量32 m3)大型液壓挖掘機(jī)。

本文針對(duì)WYD600型正鏟液壓挖掘機(jī)的研發(fā)，建立工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ停罁?jù)鏟斗挖掘阻力，對(duì)挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；基于有限元軟件拓?fù)鋬?yōu)化方法[11]，利用變密度法[12]，對(duì)挖掘機(jī)斗桿的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 大型正鏟液壓挖掘機(jī)作業(yè)載荷分析

離散元方法在研究松散巖石顆粒動(dòng)力學(xué)特性中得到應(yīng)用[13-14]。采用離散元方法，基于巖石材料特性、巖石塊度分布和分形分布，建立準(zhǔn)格爾某礦山松散巖石礦堆模型，按照WYD260挖掘機(jī)斗桿挖掘工況，分析得出松散巖石對(duì)鏟斗的挖掘阻力，將挖掘阻力施加在工作裝置多體動(dòng)力學(xué)剛體模型上，測(cè)量得出斗桿挖掘工況斗桿油缸、動(dòng)臂油缸的壓力，對(duì)比WYD260挖掘機(jī)在礦山斗桿挖掘工況動(dòng)臂油缸、斗桿油缸壓力實(shí)測(cè)值，二者基本吻合，建立的離散元巖石模型比較準(zhǔn)確地模擬了大型挖掘機(jī)鏟斗的挖掘阻力[15]。

WYD600挖掘機(jī)與WYD260挖掘機(jī)同樣采用正鏟工作裝置。在所建立的松散巖石模型上，進(jìn)行WYD600挖掘機(jī)斗桿挖掘工況下鏟斗挖掘阻力分析，得到鏟斗挖掘阻力，如圖1所示，圖中曲線分別表示鏟斗挖掘阻力，挖掘阻力在X、Y、Z方向的分力(鏟斗在XZ平面運(yùn)動(dòng))。

圖1 挖掘阻力Fig.1 Digging resistance

2 挖掘機(jī)正鏟工作裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和油缸組成，首先在多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS中建立工作裝置的剛體模型，然后采用HyperMesh對(duì)動(dòng)臂、斗桿劃分網(wǎng)格并導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件，將動(dòng)臂、斗桿替代為柔性體部件，鏟斗、油缸仍然為剛性部件，通過約束連接各零部件，建立工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析在工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ椭羞M(jìn)行。在MSC.ADAMS中，將圖1所示的挖掘阻力加載到工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ偷溺P斗上，通過驅(qū)動(dòng)函數(shù)控制鏟斗挖掘軌跡與離散元鏟斗挖掘軌跡基本一致，模擬挖掘機(jī)斗桿挖掘。斗桿挖掘工況工作裝置某時(shí)刻結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖2，該時(shí)刻斗桿應(yīng)力達(dá)到峰值，最大應(yīng)力為108.99 MPa。

圖2 工作裝置von Mises應(yīng)力云圖Fig.2 Von Mises stress contour of the working device

斗桿應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)刻，斗桿各鉸接點(diǎn)三個(gè)方向上的受力如表1所示。

表1 斗桿應(yīng)力峰值時(shí)鉸接點(diǎn)的受力情況Tab.1 Hinge force with maximum stress N

3 斗桿拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化模型的建立

挖掘機(jī)工作裝置的性能基本決定著挖掘機(jī)的作業(yè)效率與能耗。工作裝置要求質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)。挖掘機(jī)最常見的作業(yè)方式是斗桿挖掘，斗桿在斗桿挖掘工況受到的載荷與沖擊較大，如果斗桿質(zhì)量過大，會(huì)降低挖掘效率，因此斗桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)是在保證強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下減輕質(zhì)量。

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是用來在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)確定結(jié)構(gòu)的形狀、材料分布或傳力途徑的一種優(yōu)化方法。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有均勻化方法[16-17]、變密度法以及漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法[18]。變密度法計(jì)算效率高，應(yīng)用廣泛，本文采用變密度法，應(yīng)用有限元軟件對(duì)斗桿進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。對(duì)斗桿結(jié)構(gòu)而言，各個(gè)鉸接孔的位置及尺寸是在工作裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段決定的，故在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中必須作為非設(shè)計(jì)區(qū)域加以保留(圖3深色區(qū)域)。剩下的結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)區(qū)域(圖3淺色區(qū)域)，拓?fù)溆?jì)算只改變?cè)搮^(qū)域的單元密度值。在斗桿各個(gè)鉸接處創(chuàng)建剛性連接，用于對(duì)斗桿施加約束和載荷。與鏟斗鉸接處(圖3的A鉸接處)為全約束；與動(dòng)臂鉸接處(圖3的B鉸接處)僅不約束繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；與油缸鉸接處(圖3的C鉸接處)約束Y軸方向的移動(dòng)和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在沿X軸與Z軸方向施加載荷。把斗桿挖掘過程中，斗桿結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力時(shí)刻斗桿油缸對(duì)斗桿的作用力加載到斗桿油缸鉸接點(diǎn)。

圖3 斗桿有限元網(wǎng)格模型Fig.3 The finite elements model of stick

拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)為體積分?jǐn)?shù)最小。優(yōu)化目標(biāo)是使用材料最少，使斗桿結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕，實(shí)現(xiàn)斗桿結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量為設(shè)計(jì)區(qū)域里每個(gè)單元的密度。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元密度在0～1.0之間，通過改變單元密度，得到不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密度云圖。

針對(duì)斗桿設(shè)計(jì)變量，定義了五種設(shè)計(jì)約束，分別為最小成員尺寸控制約束、對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行對(duì)稱約束的制造工藝約束、對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域的應(yīng)力水平約束、體積比約束以及位移約束。具體設(shè)定如下：

(1)添加對(duì)最小成員尺寸控制約束可以保證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中單元密度是1的位置處，結(jié)構(gòu)的最小尺寸大于設(shè)定值。最小成員尺寸約束可以避免細(xì)小傳力結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使材料的拓?fù)涓泳鶆蚧Ｒ话阕钚〕蓡T尺寸為網(wǎng)格的3倍左右，故最小成員尺寸設(shè)定值為120 mm。

(2)由于斗桿關(guān)于縱向平面(XZ平面)左右對(duì)稱，故需對(duì)設(shè)計(jì)區(qū)域進(jìn)行模式組制造工藝約束。無論有限元模型的網(wǎng)格、載荷和邊界約束是否對(duì)稱，模式組對(duì)稱約束均可以保證結(jié)構(gòu)拓?fù)涿芏确植缄P(guān)于縱向平面對(duì)稱，在沒有承受對(duì)稱力的情況下得到對(duì)稱結(jié)構(gòu)，便于加工制造。

(3)斗桿采用某合金材料，最大許用應(yīng)力為680 MPa，考慮到設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，將設(shè)計(jì)區(qū)域結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力控制在350 MPa，將其設(shè)置為設(shè)計(jì)區(qū)域的應(yīng)力水平約束。

(4)設(shè)置不同的體積比約束，得到不同的拓?fù)浣Y(jié)果，體積約束過大會(huì)造成大量的材料堆積，體積約束過小會(huì)造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布集中。把體積比約束設(shè)置在0.1～0.3之間，選擇滿足要求的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分明的一組作為最終的拓?fù)浣Y(jié)果。

(5)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是減少材料使用，但是，減少材料后可能導(dǎo)致模型剛度的降低以及變形的加劇，因此，在優(yōu)化過程中需要確定位移約束，這樣可以保證在使用的材料和模型的總體剛度上達(dá)到一定的平衡。將載荷作用點(diǎn)的合成位移的上限設(shè)為1.0 mm。

創(chuàng)建應(yīng)變能響應(yīng)函數(shù)，將尋求設(shè)計(jì)區(qū)域應(yīng)變能的最小值定義為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)材料的體積和位移作為限制，即拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是，在滿足以上所有約束條件的前提下，尋求剛度最大和變形最小的新斗桿結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化求解計(jì)算前，將最大優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代系數(shù)(DESMAX)設(shè)為80，為了獲得比較清晰的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，離散參數(shù)(DISCRETE)取2.0。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果及分析

(a)體積比約束0.1

(b)體積比約束 0.15

(c)體積比約束0.2

(d)體積比約束0.25圖4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元密度云圖Fig.4 Elements density contour of the topological strcture

(a)體積比約束0.1

(b)體積比約束 0.15

(c)體積比約束0.2

(d)體積比約束0.25圖5 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Stress contour of the topological structure

優(yōu)化求解計(jì)算完成后，查看單元密度云圖，設(shè)置單元密度云圖顯示密度值超過0.3的部分。分別對(duì)體積比約束(最多保留體積)為0.1、0.15、0.2、0.25的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。查看對(duì)應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，如圖5所示。圖4對(duì)單元密度值小于0.3區(qū)域的材料做了去除處理，圖中顯示的深色區(qū)域的單元密度為1，表示該區(qū)域的材料很重要，需要保留；淺色區(qū)域密度值小，表明該處材料保留少，結(jié)構(gòu)可以做適當(dāng)?shù)母淖?。圖5中，四種結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，最大應(yīng)力位置位于斗桿油缸鉸接處附近。綜合分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元密度云圖和應(yīng)力云圖,體積比約束為0.1的拓?fù)鋬?yōu)化單元密度云圖材料分布清晰，無過多的材料堆積，且應(yīng)力主要集中在載荷施加位置附近，其他位置應(yīng)力較小，符合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)要求。故選擇體積比約束為0.1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

導(dǎo)出斗桿拓?fù)鋬?yōu)化CAE網(wǎng)格模型，如圖6所示。

圖6 拓?fù)浜蟮腃AE模型Fig.6 CAE model after topology

4 斗桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 斗桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)為概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋬?yōu)化模型存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)、形狀不規(guī)則等缺陷，不符合實(shí)際制造要求。在拓?fù)淠Ｐ突A(chǔ)上，對(duì)斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。斗桿結(jié)構(gòu)仍然選擇鋼板焊接而成，用平整的鋼板替代不規(guī)則的面板，將細(xì)小的部位連成一個(gè)整體。對(duì)整理過的斗桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在各鉸接點(diǎn)施加約束和載荷，在有限元軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到圖7所示的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為189.2 MPa。

圖7 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析von Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von Mises stress contour of static analysis

4.2 斗桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析及優(yōu)化

將拓?fù)涠窏U結(jié)構(gòu)網(wǎng)格導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件，替代原斗桿柔性體，同樣地，進(jìn)行斗桿挖掘工況動(dòng)態(tài)仿真分析。斗桿最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖見圖8，最大應(yīng)力653.7 MPa，由于斗桿應(yīng)力過大，需對(duì)斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析von Mises應(yīng)力云圖Fig.8 Von Mises stress contour of topological structure in dynamical analysis

去除圓形柱體，用箱形梁代替，利于加工制造；高應(yīng)力區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，可以在斗桿底部加兩個(gè)箱型梁，緩解頂部的應(yīng)力集中。對(duì)應(yīng)力大的板適當(dāng)增大板厚，應(yīng)力小的板適當(dāng)減小板厚。再次優(yōu)化設(shè)計(jì)的斗桿結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型如圖9a所示，導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)軟件中，進(jìn)行斗桿挖掘工況結(jié)構(gòu)分析，斗桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力云圖見圖9b，斗桿最大應(yīng)力為129.58 MPa。斗桿較圖8結(jié)構(gòu)應(yīng)力有很大的減小，但結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中明顯，底部下梁與中間四根支撐梁交叉在一起，不利于制造。

(a)優(yōu)化后斗桿CAE模型

(b)新斗桿動(dòng)力學(xué)分析von Mises應(yīng)力云圖圖9 優(yōu)化后斗桿結(jié)構(gòu)Fig.9 The strcture of stick after opimization

將中間四根支撐梁移動(dòng)到上下兩跟箱型梁之間，可以改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利于斗桿的加工制造，但同時(shí)會(huì)使得斗桿底板受到較大的剪切力，大大增大了底板的應(yīng)力。提出兩種方案對(duì)底板應(yīng)力大的問題進(jìn)行優(yōu)化，方案一是保持斗桿油缸鉸接位置不變，通過改變底板結(jié)構(gòu)來緩解底板應(yīng)力過大的問題；方案二是增大兩個(gè)斗桿油缸間的距離，使底板受到的剪切力減小。

(a)優(yōu)化后斗桿CAE模型

(b)優(yōu)化后斗桿動(dòng)力學(xué)分析von Mises應(yīng)力云圖圖10 優(yōu)化后斗桿結(jié)構(gòu)一Fig.10 The first strcture of stick after opimization

(a)優(yōu)化后斗桿CAE模型

方案一：在底板上方再創(chuàng)建一塊板，可以減小底板的受力，兩板之間通過建立加強(qiáng)板使斗桿底部構(gòu)成一箱體，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善該區(qū)域的應(yīng)力。斗桿油缸鉸接位置增加兩塊耳板，緩解下梁和鉸接耳板應(yīng)力過大的問題。四根支撐梁板厚也可以適當(dāng)減小，減小斗桿質(zhì)量。斗桿上部增加一根橫梁可以保證斗桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也可以有效緩解橫梁的受力，同時(shí)可以減小底部箱體的受力。修改后的斗桿網(wǎng)格模型如圖10a所示，斗桿鋼板厚度為45 mm、35 mm、20 mm三種；同理，在多體動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置斗桿挖掘工況分析，修改后的新斗桿動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)力云圖見圖10b，最大應(yīng)力為106.93 MPa，質(zhì)量為15.6 t。

(b)優(yōu)化后斗桿動(dòng)力學(xué)分析von Mises應(yīng)力云圖圖11 優(yōu)化后斗桿結(jié)構(gòu)二Fig.11 The second strcture of stick after opimization

方案二：將兩個(gè)斗桿油缸沿Y軸方向適當(dāng)外移，增大油缸鉸接點(diǎn)之間的距離，使斗桿受力點(diǎn)靠近兩根下梁，并保證油缸之間的安裝距離。按照方案一的做法，用箱體代替底板，增加一根橫梁，增大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼板的厚度減小為40 mm、30 mm、20 mm。新斗桿CAE模型如圖11a所示，動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)力云圖見圖11b。最大應(yīng)力為57.08 MPa，質(zhì)量為13.6 t。

對(duì)比優(yōu)化前斗桿結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后斗桿結(jié)構(gòu)在同一挖掘工況下的應(yīng)力、斗桿質(zhì)量、板厚，如表2所示。

表2 優(yōu)化前斗桿與優(yōu)化后斗桿結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between the former and the later stick

比較優(yōu)化后設(shè)計(jì)的斗桿新結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)的斗桿結(jié)構(gòu)，在不降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下降低了質(zhì)量，相關(guān)設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)專利。大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法是挖掘機(jī)研發(fā)的核心技術(shù)之一，本文的設(shè)計(jì)方法在大型液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)上具有較高的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)采用離散元方法建立礦山松散巖石模型，分析計(jì)算了大型挖掘機(jī)鏟斗挖掘阻力。

(2)在多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立大型液壓挖掘機(jī)正鏟工作裝置剛?cè)狁詈夏Ｐ?，全面分析挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并對(duì)類比設(shè)計(jì)、重新設(shè)計(jì)的斗桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，確保了斗桿優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的可靠性。

(3)基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，運(yùn)用有限元軟件對(duì)挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化?？紤]斗桿拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可制造性等因素，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的新型斗桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與原結(jié)構(gòu)保持不變，但質(zhì)量減輕。挖掘機(jī)作業(yè)循環(huán)過程中，斗桿重心始終與挖掘機(jī)整機(jī)重心保持較大的距離，減輕斗桿質(zhì)量，不僅增加了挖掘機(jī)作業(yè)效率，而且增加了挖掘機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性。

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(編輯 王旻玥)

New Stick Structures of Large Hydraulic Excavators Using Topology Optimization Method

NING Xiaobin1LIU Yaran1LI Jie2LI Guang3LI Jialin3

1.College of Mechanical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,3100142.Department of Aeronautics,Imperial College London，London,SW72AZ3.Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan,030024

Based on the structural strengths of the sticks, a new stick structure of the working devices of large shovel hydraulic excavators was designed by the method of structure optimization. Mine rock model was build by using the discrete element method, and the digging resistances of the bucket were obtained. The rigid-flexible coupling model of the working devices of the large shovel hydraulic excavators was established by using the multi-body dynamics method, the dynamic loads of the sticks during the stick digging were obtained, and the dynamic structural strengths of the sticks were analyzed. The topology optimization design of the stick structures in finite element was carried out by using the variable density topology optimization method of SIMP interpolating function, and the new stick structures of the working devices of large shovel hydraulic excavators were obtained. The dynamic structure strengths of the new stick structures were analyzed, the strengths of the new stick structures maintained the original level. The results indicate that the new stick structure has the same strength as the analogy designed, while the weights of the sticks are reduced.

finite element; topology optimization; variable density method; excavator

2016-10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375452);山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MJ2014-01)

TH122

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.16.007

寧曉斌，男，1965年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程車輛能量回收方法。發(fā)表論文20余篇。劉亞冉，男，1990年生。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。李 頡，男，1991年生。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院航空系碩士研究生。李 光，男，1982年生。太原重工股份有限公司技術(shù)中心工程師。李佳林，男，1983年生。太原重工股份有限公司技術(shù)中心工程師。