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申请/专利权人：徐工集团工程机械股份有限公司科技分公司

摘要：本发明公开了一种装载机动臂轻量化设计方法及其结构，包括以下步骤：几何模型离散化；基于多工况的结构有限元静力学分析，对传力路径进行优化，得到同时满足多工况下的轻量化设计方案；轻量化方案尺寸圆整与多工况校核，根据工况权重系数计算综合工况的刚强度数据，完成结果评估，输出最终轻量化方案。本发明还公开一种装载机轻量化动臂结构形式，包括对称布置的两动臂板，动臂板上分布有若干减重孔。本发明通过对动臂结构的多工况传力路径优化、校核及评估，实现了材料的合理布局，在保证结构刚强度和易于加工制造性的要求下，大幅减少结构重量，缩短了研发周期，提升了整机的操控灵便性，降低了用户劳动强度与使用成本。

主权项：1.一种装载机动臂轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：动臂结构几何模型离散化，采取六面体实体单元对动臂结构进行网格划分，建立有限元分析模型；步骤二：在上述有限元分析模型下，对动臂结构在各工作工况下的初始结构进行有限元静力学分析，并获取刚强度指标的初始值；步骤三：以有限元静力学分析结果为基础，对各工作工况下的动臂结构进行传力路径优化，得到试验轻量化动臂结构；步骤四：圆整、校核试验轻量化动臂结构，再次进行有限元静力学分析，计算轻量化后刚强度指标优化值，评估刚强度指标的优化值与初始值，若刚强度指标评估满足要求，则进行步骤五，若刚强度指标评估不满足要求，则进行步骤三；步骤五：输出试验轻量化动臂结构为最终轻量化方案；所述有限元静力学分析具体包括以下步骤：平衡方程：KU＝P几何方程：本构方程{σ}＝[D]{ε}动臂结构应力指标采用等效应力理论进行计算，原理如下： 其中，K为刚度矩阵；U为位移矩阵，其3个方向位移x、y、z分别用u、v、w表示；P为载荷矩阵；ε为结构应变，其3个方向线应变分别为εx、εy、εz，三个方向剪应变分别为τxy、τxz、τyz；σ为结构应力，[D]为弹性系数矩阵，其数值决定于所采用的材料参数；x、y、z三个方向应力为σx、σy、σz；动臂结构最大位移动臂结构最大应力其中i，j，k＝1,2……m，m为结构节点总数量，所述刚强度指标包括：综合刚度和综合强度，综合刚度为对应工况下的动臂结构最大位移与相应权重系数的求和值，综合强度为对应工况下的动臂结构最大应力与相应权重系数的求和值,所述的权重系数根据工作工况的运用情况设定，权重系数之和等于1，掘起正载工况的权重系数为0.05，掘起偏载工况的权重系数为0.3，牵引正载工况的权重系数为0.05，牵引偏载工况的权重系数为0.1，联合正载工况的权重系数为0.3，联合偏载工况的权重系数为0.2，所述动臂结构进行传力路径优化的具体方法为：以动臂板的材料密度为设计变量，以动臂结构的结构应变能最小为目标函数，对传力路径进行优化，在满足动臂结构刚强最大，位移最小的情况下进行动臂结构材料的去除；其优化方程如下： lmin≤li≤1＝1,2,……，n其中，a为设计变量向量，表示动臂板实体单元材料的相对密度；ai为第i个实体单元的相对密度；n为动臂板实体单元总数目；ca为动臂板的结构应变能；k0为实体单元的单元刚度阵；li为第i个实体单元位移矢量；liT为第i个实体单元位移矢量的转置；V0i为第i个实体单元材料的体积；fV为给定的材料体积分数比；lmin为远小于1的正实数，表示单元材料相对密度的下线；p为惩罚函数。

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