为改善液压凿装机掘进臂结构性能、减轻结构质量,依据经验法确定了扒岩作业工作载荷。应用Creo软件建立掘进臂整体三维模型,导入ADAMS软件中进行动力学仿真,获取结构各铰点所受载荷。应用ANSYS软件对掘进臂的大臂、小臂进行有限元分析,结果表明结构存在较大应力集中,整体刚度较大。以减轻结构质量为目标,结构强度为约束条件,应用变密度法分别对大臂、小臂结构进行拓扑优化,优化后的大臂、小臂分别减重10%、7%,最大应力分别降低38%、17%,结构的安全系数分别由1.5提高到1.82和2.01。满足了工作要求,实现了结构轻量化,可为实际的工程应用提供参考。

液压凿装机掘进臂中小臂结构在凿岩过程中受到较大交变载荷,易出现疲劳损伤。利用UG软件建立小臂三维模型,应用ADAMS软件分析提取掘进臂典型凿岩工况下小臂各受力点的载荷特征,在ANSYS Workbench软件中分析得到结构的最大应力为193 MPa、最大变形量0.36 mm。以减轻重量为目标、保证强度为约束条件对结构进行拓扑优化,根据优化结果确定了优化后结构模型。将有限元仿真数据导入nCode疲劳分析软件,通过疲劳寿命计算,得到优化前后的最小寿命时长分别为7 916 h、9 622 h,优化后寿命增加了1 700 h,提高了22%。