矿用装载机工作装置的有限元分析及结构优化

摘要

矿用挖掘式装载机是矿井开采中使用较多的一种开采设备。本论文涉及的某款 ZWY型装载机，在使用过程中，其工作装置发生了断裂，故有必要找出工作装置开裂的原因，并以此为依据对其进行结构改进与优化。
　　本文首先对典型工况下的工作装置进行了有限元静力学分析，考虑到大臂、小臂和底座受力复杂且边界条件难以确定，单独分析比较困难，本文以整个工作装置为研究对象进行分析计算。由分析结果可知，小臂和底座存在明显的应力集中，其发生部位与现实断裂部位完全吻合，表明小臂和底座的断裂主要是由局部强度不足引起的，同时发现大臂整体受力较小且应力分布不均匀，存在较大的优化空间。
　　其次，本文运用Optistruct求解器对工作装置分别进行了拓扑优化、尺寸优化、形状优化和联合优化，各个优化设计的目标虽然有所不同，但其最终目标都是在满足装载机刚、强度的设计要求下，尽可能地实现结构的轻量化，通过优化，工作装置最大应力和整体重量均下降幅度明显。
　　最后，为了解优化后工作装置动态性能的变化，对优化前后的大臂和小臂进行了模态分析。由分析结果发现，优化后的大臂第一阶固有频率较优化前大幅度降低，表明大臂经优化后动态性能下降明显，故对大臂进行了以提高第一阶固有频率为目标的二次优化。经第二次优化后的大臂，第一阶固有频率提高程度明显。
　　通过本论文的研究，找出了ZWY型装载机工作装置断裂的原因，并对其结构进行了改进与优化，优化后的工作装置，静、动态性能都有显著的提高。本论文的研究能为其它同类型产品的设计提供一定的指导意义。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 装载机产品设计的研究现状

1.3 ZWY型矿用装载机简介

1.4 课题研究的内容

第2章 工作装置静力学有限元分析

2.1 工况的确定和挖掘力的计算

2.2 有限元模型的建立

2.3 静力学计算结果与分析

2.4 本章小结

第3章 工作装置的结构优化

3.1 结构优化技术简介

3.2 大臂的结构优化

3.3 小臂的结构优化

3.4 底座的结构优化

3.5 本章小结

第4章 优化后工作装置的动态性能分析

4.1 模态分析基本原理

4.2 约束的施加

4.3 大臂模态计算结果分析

4.4 小臂模态计算结果分析

4.5 工作装置的模态评价

4.6 大臂的二次优化

4.7 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目