液压挖掘机作为一种传统的大型机械工业设备,在机械行业发展进程中,随着理念的改变,人们对发展的要求更加倾向于低碳环保、节能减排。因此如何通过某些优化手段与设计方法,使得在不降低相关部件性能的情况下,减少能源消耗,提高综合性能成为相关领域研究的重点,液压挖掘机的轻量化研究被广泛关注。本文根据挖掘机在工作中的运动以及运作时的复杂工况进行研究,同时通过静力学分析,对挖掘机小臂提出轻量化设计方案,结合优化要求,再通过有限元分析软件ABAQUS相关模块的精密计算得到相应的优化模型。最后,对优化后的模型进行强度与刚度等的计算,以此保证轻量化的合理性。

为了得到轻量化的方程式赛车链轮,将拓扑优化方法引入到链轮结构设计中,构建了轻量化优化设计的数学模型,并对链轮初始设计几何模型进行了3次减重的结构优化,得到质量减少49.59%的链轮;最后,对优化后的模型进行了强度、安全系数和寿命的仿真校核与样件的加工制造,并装配集成到赛车上进行了物理实验。结果表明,优化设计的链轮满足工作要求。

为应对节能减排、轻量化要求,现需要对某副车架下摆臂进行以铝代钢轻量化设计。采用半固态铸造成型工艺,应用轻型的A357铝合金材料替代原来的冲压钢制材料,在现有摆臂硬点不变的情况下,对原结构的冲压摆臂进行重新设计。采用变密度法的拓扑优化技术得出模型结构,然后进行模型重构,再对重构的模型进行强度和疲劳分析,验证其性能,实现摆臂结构的轻量化设计。最终该悬架下摆臂质量减少1.18 kg,减重34.9%,完成其设计目的。

为了清扫光伏板表面累积的灰尘,设计一款光伏板表面无水除尘装置。用有限元仿真法验证上端限位系统的刚度和强度;对传动轴进行轻量化设计;进行除尘试验并设计除尘率最高时的工作参数。上端限位系统的最大变形量为0.02802 mm,最大应力值为19.725 MPa,其刚度和强度足够;优化后传动轴的质量为0.47316 kg,比优化前减轻了40.84%;优化后的除尘率可以达到97.38%。该除尘装置具有高可靠性和高除尘率,能够实现对光伏板表面的无水除尘。

采用数字化设计方法,创新地将悬架系统装配在越野卡丁车上,以轻量化为目标,设计了车架及车身,并且分析了车架轻量化前后的典型工况下的应力图与位移图;利用焊接和3D打印技术对车架和操控系统的机构进行了制作、安装与调试。最后对加工方法与安装调试方案进行了优化。经过性能测试后,发现整车的动力性能及操控性能有所提升。该悬架系统的设计、匹配及制作过程为改进低速电动车(旅游观光车)的舒适性设计提供了参考,具有很好的应用前景。

以VHT800数控机床为例,设计了树脂混凝土材料和铸铁材料的滑台模型,用有限元方法对其进行静态分析、模态分析,结果表明同铸铁材料机床滑台相比,树脂混凝土材料机床滑台满足了机床零部件轻量化和刚度使用要求,在相同的受载条件下,树脂混凝土机床滑台比铸铁材料滑台的最大应力减低15.8%,变形量降低6%,树脂混凝土材料机床滑台的各阶固有频率均明显高于铸铁材料滑台,树脂混凝土材料滑台的静、动态特性优于铸铁材料滑台。

汽车工业一直在不断寻求提高汽车性能、降低油耗和减少对环境负面影响的方法,在当前人们环保和节能意识不断增强的背景下,轻量化设计成为汽车工业的一个关键研究方向。通过减小汽车车身质量,可以降低燃料消耗,提高能源利用效率。然而,在追求轻量化的同时,必须确保车身结构的强度和安全性不受影响,这对轻量化设计提出了更高的要求。该文对基于轻量化设计的汽车车身优化策略进行探讨,从而为汽车工业提供技术支持,推动车身设计和制造领域的创新和可持续发展。

为解决挖掘机工作装置传统设计保守,导致大量能源资源消耗以及严重的环境排放问题,提出一种基于自适应近似模型的结构轻量化设计方法。计算结构设计参数对质量、变形和应力的综合贡献度,筛选作用显著的参数作为设计变量。构建近似模型资源池,根据最大的决定系数自适应构建近似模型的响应面。在此基础上建立以最小质量为目标,应力与变形为约束的优化模型,结合遗传算法开展结构轻量化设计。结果表明所提方法实现某型号液压挖掘机动臂减重9.38%,并通过仿真验证应力和变形满足动臂的设计要求。

结合流场分析和拓扑轻量化设计方法对液力变矩器闭锁离合器外壳开展轻量化设计并进行实验验证。首先建立液力变矩器流场仿真模型,分析不同工况下闭锁离合器承载特性,从流场仿真中提取负载,采用有限元方法对外壳进行稳态力学分析,以校核其强度。随后使用基于密度插值的拓扑优化方法对外壳进行优化,从而获得具有指导性的设计方向。在此基础上采用实验设计方法研究各尺寸参数对外壳轻量化、强度等影响规律,并采用遗传算法对外壳的各项性能进行优化。最后,研制优化后的闭锁离合器外壳样件及液力变矩器样机并进行应力和性能测试,结果表明,闭锁离合器外壳减重10%,优化后液力变矩器能够满足使用要求。

基于SLM(选区激光熔融技术)打印零件轻量化设计的要求,为弥补轻量化结构设计过程中的盲目性和不确定性,利用拓扑优化软件对单元结构进行拓扑优化,提取优化后的单元结构进行再设计得出几种基本单元构型。将几种基本的单元构型填充长方体类构件,利用有限元分析不同单元填充时在不同载荷形式下构件的力学性能,并通过改变单元的尺寸参数、分布密度探究单元结构对构件力学性能的影响。分析结果表明,当主要承载方式为压缩载荷时,拱形单元结构具有较好的力学性能,而当承受弯曲载荷时,在构件应力集中区域增加单元的填充密度可以提高构件的承载能力。当结构设计既要满足构件的强度也要满足轻量化设计时,可以通过改变单元构型的尺寸参数及排布方式得到最优化的设计。