挖掘装置极限工况的结构优化方法、装置、设备及介质

本发明涉及工程机械，尤其涉及一种挖掘装置极限工况的结构优化方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、液压挖掘装置作为工程机械的核心设备，广泛应用于矿山开采、工程建设、农业生产和基础设施建设等多个领域，是推动国家经济建设的关键装备。这些设备在复杂的作业环境中运行，面临严峻的考验，其稳定性和可靠性直接影响到工程项目的进度和成本控制。

2、当前的液压挖掘装置设计和制造技术主要集中在提高作业效率、降低能耗和增强设备耐用性上。一般采用三维建模技术设计机械结构，结合运动学分析确定作业范围，通过刚体动力学模型分析挖掘装置在不同工作模式下的受力状态。在物料处理方面，通过建立动态载荷值模型和离散元仿真技术，模拟挖掘过程中的物料流动和相互作用，以预测设备受力情况。结构优化则通常借助有限元分析，对关键部件进行强度校核，并采取轻量化设计策略以减轻重量、提高性能。

3、尽管在一定程度上提高了挖掘装置的性能和耐用性，但仍存在一些明显的缺陷和挑战。首先，动态不确定载荷值条件下，各杆臂的交变应力和弯曲应力易导致结构变形与疲劳断裂，尤其是连接轴铰接处的磨损问题，缩短了设备使用寿命。其次，传统设计方法未能充分考虑实际工况的复杂性和不确定性，难以准确预测和应对极端工况下的结构响应，影响安全性。此外，挖掘物料的多样性、复杂性以及与铲斗的交互作用，增加了模型仿真的难度，使得物料模型的建立不够精确，影响了对挖掘工况的准确模拟和优化设计的有效性。最后，虽然有限元分析能提供一定的结构优化指导，但在实现结构轻量化的同时保证足够的强度和稳定性方面，缺乏高效且系统的解决方案，特别是在快速迭代和优化设计流程方面仍有待提升。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种挖掘装置极限工况的结构优化方法、装置、设备及介质，旨在解决如何对挖掘装置极限工况下进行优化的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提出一种挖掘装置极限工况的结构优化方法，所述的方法包括：

3、建立挖掘装置三维简化模型并确定工作参数；

4、根据所述工作参数，得到工作范围包络图；

5、根据所述三维简化模型和所述工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型；

6、根据所述刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型；

7、根据所述挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值；

8、根据所述受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值；

9、根据所述极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化。

10、可选地，所述根据所述工作参数，得到工作范围包络图，包括：

11、根据所述工作参数和所述三维简化模型，得到挖掘装置杆臂d-h坐标系并构建d-h坐标变换矩阵；

12、利用d-h坐标变换矩阵计算出杆臂关节的绝对坐标，完成挖掘装置杆臂的运动学正解分析，得到所述工作范围包络图。

13、可选地，所述根据所述三维简化模型和所述工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型，包括：

14、构建挖掘动力学模型，确定挖掘装置受力铰点和挖掘姿态；

15、根据所述三维简化模型和所述工作范围包络图结合所述挖掘装置受力铰点和挖掘姿态，建立所述刚体动力学模型。

16、可选地，所述根据所述刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型，包括：

17、获取实际挖掘工况及其物料参数；

18、基于所述工作范围包络图和所述挖掘工作姿态，确定物料模型的设置范围；

19、根据所述设置范围和所述物料参数，建立挖掘工况模型。

20、可选地，所述根据所述挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值，包括：

21、根据挖掘工况模型设定挖掘作业流程进行动态仿真；

22、实时监控并记录杆臂铰点在挖掘过程中的受力信息，得到仿真结果；

23、分析所述仿真结果，识别并记录所述铰点在各个时间点上的受力峰值。

24、可选地，所述根据所述受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值，包括：

25、根据挖掘工况模型设定挖掘作业流程进行动态仿真；

26、选取在挖掘工况模型仿真过程中识别出杆臂铰点的受力峰值时刻；

27、根据受力峰值时刻，确定对应的挖掘装置杆臂的实际工作姿态；

28、利用有限元分析软件，对所述受力峰值时刻下的杆臂结构进行静力学分析，计算得到等效应力分布和变形量；

29、分析比较所述等效应力分布和变形量，得到等效应力和变形量达到最大值的时刻；

30、将所述时刻作为挖掘装置的极限工况时刻，并记录对应的载荷值。

31、可选地，所述根据所述极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化，包括：

32、根据所述极限工况时刻及载荷值，选择相应的杆臂作为优化对象；

33、运用拓扑优化算法结合静力学分析结果，优化杆臂的内部结构布局；

34、所述优化杆臂的内部结构布局之后，还包括：

35、利用所述静力学分析结果验证优化后结构在极限工况下的性能，得到验证结果；

36、若所述验证结果不满足所述静力学分析结果，则进行调整，直至达到最优设计方案。

37、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种挖掘装置极限工况的结构优化装置，所述挖掘装置极限工况的结构优化装置包括：

38、构建模块，用于建立挖掘装置三维简化模型并确定工作参数；

39、获取模块，用于根据所述工作参数，得到工作范围包络图；

40、构建模块，还用于根据所述三维简化模型和所述工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型；

41、构建模块，还用于根据所述刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型；

42、计算模块，用于根据所述挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值；

43、计算模块，还用于根据所述受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值；

44、优化模块，用于根据所述极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化。

45、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种挖掘装置极限工况的结构优化设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序配置为实现如上文所述的挖掘装置极限工况的结构优化方法的步骤。

46、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种介质，所述介质为计算机可读介质，所述介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的挖掘装置极限工况的结构优化方法的步骤。

47、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的挖掘装置极限工况的结构优化方法的步骤。

48、本技术通过建立挖掘装置三维简化模型并确定工作参数，根据工作参数，得到工作范围包络图，根据三维简化模型和工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型，根据刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型，根据挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值，根据受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值，根据极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化。通过简化建模与动态分析，精准定位挖掘机极限负荷状态，实现结构优化，增强耐用性与工作效率，降低故障率。

技术特征：

1.一种挖掘装置极限工况的结构优化方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述工作参数，得到工作范围包络图，包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维简化模型和所述工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型，包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型，包括：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值，包括：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值，包括：

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化，包括：

8.一种挖掘装置极限工况的结构优化装置，其特征在于，所述装置包括：

9.一种挖掘装置极限工况的结构优化设备，其特征在于，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的挖掘装置极限工况的结构优化程序，所述挖掘装置极限工况的结构优化程序配置为实现如权利要求1至7中任一项所述的挖掘装置极限工况的结构优化方法的步骤。

10.一种介质，其特征在于，所述介质上存储有挖掘装置极限工况的结构优化程序，所述挖掘装置极限工况的结构优化程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的挖掘装置极限工况的结构优化方法的步骤。

技术总结
本申请公开了一种挖掘装置极限工况的结构优化方法、装置、设备及介质，涉及工程机械技术领域，包括：通过建立挖掘装置三维简化模型并确定工作参数，根据工作参数，得到工作范围包络图，根据三维简化模型和工作范围包络图，建立挖掘装置刚体动力学模型，根据刚体动力学模型和所述工作范围包络图，建立挖掘工况模型，根据挖掘工况模型，获取得到挖掘装置的受力峰值，根据受力峰值进行静力学分析，确定得到极限工况时刻及载荷值，根据极限工况时刻及载荷值将对应挖掘装置的结构进行优化。通过简化建模与动态分析，精准定位挖掘机极限负荷状态，实现结构优化，增强耐用性与工作效率，降低故障率。

技术研发人员：吴华伟,刘贵,丁小龙,李智,王华忠,马毓博
受保护的技术使用者：湖北文理学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23