本文是一篇在职硕士论文，在职研究生则是国家计划内，以在职人员的身份参加全国研究生入学考试，录取后全脱产或半脱产在校学习的研究生学历教育的一种类型。毕业后可获得研究生学历。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇在职硕士论文，供大家参考。
1 绪论
1.1 研究背景
装载机是工程中用途最广的物料铲运装备，大到铁路、公路等工程施工，小到工厂施工、材料运输都能看到他的身影。其通过动力推进铲斗铲入碎石、砂砾、土渣等装入物料，然后借助液压缸及连杆机构实现物料铲装、举升，将物料快速地进行转移。此外，装载机还可以将铲斗换成货叉来进行物料箱或者木料的转移。根据功率及铲斗大小，其可以一次性铲运 1.5 到 5 吨中物料，效率极高，操作方便；根据其车轮形式不同，可以选择轮式或者履带式，机动性好，能适应各种复杂工作环境，像矿山、工地等。由于其能替代大量不必要的体力劳动而成为工程中最常见的施工机械[1]。中国在装在机上的研究和发展经历了几十年取得了较大的成就。尤其令人称道的是装载机产业年产销年以超过 16 万台，在国际著名品牌林立的中国市场，国产装载机占据这绝大部分的市场份额。尽管国内装载机行业生气盎然，存在大量企业进行研究、生产及销售，但不可否认地，国内装载机发展仍然有很多的不足。行业进入要求低，产品质量及技术可靠性不足，价格竞争恶劣致使企业利润低下，缺乏营销理念，市场范围难以向外扩张。此外，产品在研发上沿用传统的方法、服务上缺乏创新力、不注重节能环保等因素严重制约国内装载机行业的进一步发展和提升。因此，在国内基础设施建设速度快速提升，制造技术、信息技术等快速发展，提倡节能环保情况下，中国装载机企业应该紧跟时代的步伐，加强在各方面的投入，尤其是技术研发及相关人才的重视，加强创新，使国内装载机行业比肩世界一流企业。
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1.2 课题来源
论文选题来源于华中科技大学柳工院士工作站的装载机系列产品自主研发项目“装载机工作装置拓扑优化设计及优化性能分析”。在柳工工厂调研期间，发现国产系列装载机工作装置设计研发过程十分传统，设计方案大多参考国外现成产品，这样可以节省大量的研发投入，在市场竞争中建立成本优势，但产品技术升级上缺乏核心竞争力，始终处于追赶状态。本课题主要分析结构拓扑优化原理，分析其的实用价值。并分析装载机工作装置主要运动部件动臂的拓扑优化，其能较好确定动臂结构材料分布情况，以合理地材料分布来减轻重量、增强刚度。对动臂来说减轻重量能使每个工作周期下液压缸推动力降低，减少不必要的能量消耗。拓扑优化为结构设计与优化提供了一种设计方案，快速确定结构最优构型，缩短结构设计周期，在现代数字化设计方面具有极大地实用价值。
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2 拓扑优化原理
通过对比分析各种拓扑优化方法，本论文选择适合处理复杂工况及复杂模型的拓扑优化方法变密度法来对装载机工作装置进行拓扑优化分析。首先，详细介绍变密度法理论，分析其数学模型及求解方法；然后介绍了基于变密度法的专业拓扑优化软件OptiStruct，了解其内部优化流程及采用其进行拓扑优化设计的优势。
2.1 拓扑优化发展及分类
结构拓扑优化发展的分支众多，但其发展来源于一百多年前 Michell 做的研究。关于拓扑优化的分析大多基于 Michell 的桁架结构理论，Michell 在研究桁架结构中首次引入拓扑优化这一概念；但是限于计算方法及计算机技术的不成熟，拓扑优化的研究多停留在理论阶段。后来人们提出了基结构方法，拓扑优化理论得以统一，主要因为 1964 年Dorn 使用数值方法进行拓扑构型的计算求解。近三十年关于拓扑优化的研究成为热点，也被认为是计算结构力学中极具挑战性的方向。N.Olhoff和程耿东在 80 年代初对拓扑优化问题进行转化，等效成尺寸优化问题应用于弹性板的最优厚度研究中，这种等效转换具有开创性意义，在后续的研究中出现各种形式的等效方式。Bendsoe 和 Kikuchi于 1988年做的基于均匀化理论结构拓扑优化主要用于进行连续体结构拓扑优化。具有同样意义研究的是渐进结构优化方法，其由 Xie Y.M.和 Steven G.P.于 1993 年提出，他们利用有限元原理分析结构应力分布，然后去除应力状态较小的单元材料，并不断迭代，直到剩余材料达到预设优化目标。变密度法是一种实用价值较高的方法，Bendsoe 和 Sigmund 于1999 年做过相关研究后，其理论意义被论证，具体应用不断被提出。此外，还有三角网格进化方法等被提出，其通过同时使用进化方法和退化方法，提升了计算效率。我们在进行结构设计时往往希望找到一种最佳的材料分布方案，而通过拓扑优化计算可以一定程度上帮我们达到目的。在使用拓扑优化方法之前，我们需要知道其中的两种基本方法：退化法和进化法，其中退化法最为常见，应用也较为成熟。退化法的设计思想是先确定一个满的设计空间，即充分考虑材料的分布区域；然后在材料分布区域中通过合适计算方法逐渐去除材料中多余部分，以达到使用最少的材料满足最佳设计性能要求，以退化法为基础的结构拓扑优化方法有基结构法、变厚度法、均匀化方法、变密度法等；进化方法主要模拟生物进化理论，通过选择优秀个体、淘汰劣质个体来选出最佳的单元组合使材料最省，性能最优，在进化方法的研究中，研究人员引入了遗传算法、模拟退火法等方法，其中渐进结构优化方法就是以这种自然进化方法为基础。
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2.2 变密度法原理
变密度方法有着完整的数学模型，其模型核心为将结构单元密度作为设计变量，并通过数学关系式使单元密度和单元弹性模型关联，将设计变量单元密度引入结构刚度方程，相较于均匀化和微结构过程，这种模型处理方法简单易行，尤其适合计算机编程求解。变密度方法的数学模型主要分两种：带惩罚因子的固体各向同性微结构（solid isotropicmicrostructures with penalization, SIMP）[33][34][35]材料插值模型和材料属性的近似插值模型（rational approximation of material properties, RAMP）[36][37]。SIMP 方法的物理意义的已被证实，因此其在工程中得到较大关注，其通过引入惩罚因子来惩罚中间密度，使得密度取 0 和 1 中间值时给其一个较大的惩罚因子，让单元密度值尽量向 0、1 两端聚集，这样不仅能提高优化效率，而且优化效果较一般方法更好。
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3 装载机工作装置连杆机构优化
3.1 装载机工作装置机构分析........... 23
3.2 运动学优化模型.......... 24
3.3 模型分析与求解.......... 28
3.4 结构工况分析及载荷计算........... 33
3.5 本章小结..... 43
4 装载机动臂拓扑优化
4.1 装载机工作装置不同工况静应力分析 ........ 44
4.2 单工况下结构拓扑优化....... 54
4.3 多工况下结构拓扑优化....... 59
4.4 优化性能分析...... 60
4.5 本章小结..... 61
5 动臂结构改进及性能分析
5.1 动臂质量对能耗影响分析........... 62
5.2 本章小结..... 69
5 动臂结构改进后性能分析
通过前面章节可以知道拓扑优化能够得到结构最佳拓扑构型，不仅能减轻结构重量，而且能提升结构刚度，对于动臂来上提升刚度能提高其承载能力。减轻重量对其来说会带来能量消耗上的减少，因为其自身在工作过程中需要不断被举起放下，本章将通过 ADAMS 软件分析一个工作周期下由于自身重量变化所引起的工作装置液压缸上的受力改变情况，定性分析其自身重量减轻与能量消耗之间的对用关系，具体分析工程中通过改变结构密度来模拟其重量的改变。
5.1 动臂质量对能耗影响分析
结构拓扑优化能够提供的一个较大优势就是减轻结构重量，尤其对于装载机工作装置，其往复的举升及转斗动作需要消耗大量无用功，其自身重量的减轻能减少能量的消耗。在此，定性的分析装载机工作装置重量的减轻所带来的的能耗上的减少，通过采用Adams 多体动力学分析软件分析一个运动周期液压缸内应力变化，将其与行程积分，求优化前后之差，即可计算能量节省量。仅仅考虑装载机工作装置在一个工作周期内所做的无用功时，外载荷的大小对计算结果并无影响，因此，本论文通过分析装载机工作装置在空载下，举升液压缸与转斗液压缸上的载荷情况，并分析其与液压缸行程的关系，即可得出一个周期内用于抵消自身重力和动力所做的无用功。本论文通过分析优化前后，自身重力的变轻所引起的无用功的减少，来分析结构优化的优势。
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总结
本论文主要是针对国产 CLG856 装载机工作装置传统设计方法的不完善及结构性能上存在较大提升空间，通过研究拓扑优化原理，分析其在工作装置上的应用可行性及在力学性能和能耗上的应用优势。在优化过程中，通过静应力分析找出其结构不同工况下应力状况的不均匀性，然后对动臂结构进行初始化设计，根据不同工况对其进行结构拓扑优化，找出各种工况下需要重点保留的材料部分，然后对其进行多工况下加权柔度拓扑优化，通过对比分析，确定动臂最佳的材料分布方案，并对比分析优化前后动臂结构的变形大小，得出其刚度提升。此外通过分析在一个工作周期内由于工作装置自身重量的减轻而使能耗减少的比例来论证减轻装载机工作装置重量所带来的优势。不仅分析了拓扑优化的使用方法，而且论证了其意义。本人所做的具体研究工作总结如下：
(1)分析了拓扑优化的理论基础，尤其是变密度拓扑优化方法中的带惩罚的固体各向同性微结构材料插值模型（SIMP），并简要介绍了 Altair 公司的结构拓扑优化软件OptiStruct 内部求解流程及优势。
(2)根据反转六连杆机构原理，建立装载机工作装置运动学数学模型，用于确定最佳平移性、传力比、卸载性下连杆机构尺寸组合。对多目标运动学模型，采用改进后的NSGA-2 进化算法，运用 MATLAB 编程，解得一组帕累托最优解，为连杆机构尺寸选型做依据。然后根据经验公式计算装载机工作装置在各个工况下的载荷情况，及各机构的受力情况，用于后续结构应力分析及优化设计。
(3)运用有限元分析软件 ANSYS 分析动臂结构在铲入、掘起、铲入偏载、掘起偏载四种不同工况下的应力状况，根据应力云图，得出动臂侧板上下部分宽度加强可以分担更多应力的结论，以其为依据加宽动臂侧板来建立拓扑优化设计空间。然后使用 Optistruct软件在设计空间进行拓扑优化设计，并进行后处理，得到单元密度等值线云图，分析在各种工况下结构中需要保留材料部分；并采用加权柔度拓扑优化方法对其进行了多工况结构拓扑优化分析，对比分析，确定材料分布最佳方案，及优化对力学性能的提升。
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参考文献（略）