目前，液压挖掘机广泛应用于各种土石方施工，优化挖掘机的结构设计，提升挖掘机整机的工作性能成为亟待解决的问题。中部平台的主梁是与工作装置连接的主要承载结构，占中部平台质量的1/3左右。主梁的重量过大，会降低挖掘机的工作效率及机身稳定性。挖掘机的作业条件相对较为恶劣，工作形式较为复杂，非合理的轻量化，会使主梁出现疲劳损坏。采用拓扑优化理论作为轻量化设计的研究基础，通过有限元分析模拟迭代求解，实现对主梁合理轻量化设计，为机械类产品的轻量化研究提供参考。

1 拓扑优化理论基础

拓扑优化是指在确定的设计区域内寻求材料的最佳布置，使结构在指定的设计区域内有最佳的刚度分布形式或最佳传力路线，以此来优化结构的某些性能或减轻结构质量。目前，对深入到连续体拓扑优化问题的求解，涉及到的原理主要是退化原理和进化原理。前者常用的数值求解方法包括均匀化法、惩罚密度法（变密度法）和变厚度法；后者包括遗传算法等。拓扑优化程序见图1。

2 数学模型

结构优化设计建立的数学模型可以表述为：

 

式中：X＝x1，x2，…，xn是设计变量；f（X）是设计目标；g（X）是不等式约束；h（X）是等式约束。

The Role of Photography in Tourism Development________________________ ZOU Xinping 38

  

图1 拓扑优化框图Figure 1 Topology optimization block diagram

（1）农户个人特征变量中，年龄对农户小额信贷需求的影响为负，与预期一致，说明农户年龄越小，对小额信贷的需求越高，意愿也越高，原因可能在于年龄小的农户更容易接受新事物，更乐于接受小额信贷，再者年龄小的农户对未来收入的预期较高，对现期借贷的把握越大，但是影响不显著，影响较弱。性别对农户小额信贷需求意愿的影响为正，与预期一致，男性更倾向于接受小额贷款，男性一般比女性更偏好风险，对生产和投资的意愿较高，贷款的需求也越高，但是影响不显著。受教育程度对农户小额信贷需求意愿的影响为正，与预期一致，受教育程度越高，越倾向于扩大生产，增加投资，贷款的意愿越高。

Inspire依据最优化准则法、对偶法和可行方向法建立近似模型。优化设计的数学模型各参数具体到Inspire中，f（X）、 g（X）、 h（X）是从结构有限元分析中获得的响应。采用局部逼近来求解优化，在求解过程中遵循规则收敛和软收敛的准则。

3 回转平台模型及有限元分析

3.1 模型建立

根据有限元分析结果，确定左右梁为设计空间，4个铰链孔定义为非设计空间。定义拓扑优化目标为最大频率下的最大刚性要求，材料使用量为5%，原钢板厚度（30 mm）不变，对设计空间进行优化，如图5所示。

  

图2 回转平台模型Figure 2 Revolving platform model

  

图3 左右主梁模型Figure 3 Left and right main girder model

3.2 回转平台工作载荷的确定

分析以上3种典型工况的工作状态及平台受力特点，工况C受力最大。故选用C工况对中部平台的主梁进行有限元分析和结构优化。

 

表1 回转平台上安装部件的质量Table 1 Quality of mounting parts on rotating platform

  

部件名称 总质量/k g发动机 3 5 9主泵 1 2 0液压油箱 2 9 0燃油箱 3 6 6阀组 1 2 0液压油箱冷却器 1 0 5配重 2 1 0 0司机室 2 3 0回转马达 1 3 2主臂（动臂） 9 2 4副臂（斗杆） 3 8 9属具（铲斗） 4 9 1.5

工况和位置选择的原则是，使主梁可能产生最大弯矩时的工作位置。根据实际工作载荷情况，主要有下面3种工况（见图4）：

  

图4 挖掘机典型工况Figure 4 Typical working condition of excavator

工况A：动臂位于动臂液压缸对铰点最大力臂处，斗杆液压缸力臂最大，铲斗液压缸挖掘，动臂液压缸、斗杆液压缸同时刚好过载；动臂和斗杆液压缸作用力臂最大，该工况下的载荷为重力和切向力。

广大学生中有的来自市区，家庭条件较好，己有了一定的计算机操作能力，而有的来自边远的效区或是农村，从没接触过计算机。给这些参差不齐的学生同时开设信息技术课，无疑给信息技术教学及课堂目标的完成带来了很大的困难。

为了验证所提压电能量俘获电路的功能与性能,本文在理论分析与电路仿真的基础上,进行了实验测试,实验平台如图7所示。

工况C：最大挖掘深度时，铲斗液压缸发挥最大挖掘力，动臂和斗杆液压缸作用力臂最大，铲斗挖掘、动臂、斗杆油缸同时闭锁。该工况下的载荷为重力和切向力。

工况B：稳定计算位置之一，为可能使挖掘机向前倾翻、稳定系数最小时的位置。一般可取动臂水平（前、后铰点连线）斗杆垂直，铲斗挖掘且切向挖掘力垂直。

回转平台除承受工作装置、驾驶室、动力装置、液压装置、配重及覆盖件等的质量外，还承受工作装置工作时产生的挖掘力，主梁所受载荷为动臂油缸铰点作用力，动臂铰点作用力的大小和方向根据工况而定。回转平台上安装部件的质量见表1。

低度（20%vol）酒和高度（72%vol）酒沉淀物的红外光谱按1.3.3节方法测定。其结果见图2a和图2b。

3.3 约束和载荷的施加

回转平台支承于回转支承之上，通过螺栓与回转滚盘相连。考虑到平台与滚盘连接处刚度较大，用刚性固定支承作为边界条件，对支承衬板的连接面采用固定约束。对典型工况施加所有载荷和边界条件。

3.4 主梁结构分析

经过计算得到主梁应力云图。在工作过程中，主梁主要承受尾部的配重及与大臂相联接处的铰链载荷。在这两种载荷的作用下，主梁易产生扭矩，引起回转平台扭曲，故左右两梁的中间联接板不在轻量化设计范围内。主梁的两个侧梁内部受力较小，不存在应力集中，且安全系数都在10以上，故对左右梁内部进行优化处理和轻量化设计。

4 主梁优化设计

利用三维软件Pro/E建立研究对象的三维模型。为提高分析结果的精准度，在建模过程中忽略倒角及陪分小孔的影响，然后导入有限元分析软件。由于平台尺寸较大，组成的部件较多，故以平台中的主梁为主要研究对象，如图2和图3所示。

  

图5 拓扑优化结果Figure 5 Topology optimization results

通过优化后结果可以看出，左右梁内部材料被大量去除，这与设定的优化设计空间相符。在此优化结果的基础上，使用Pro/E对主梁进行二次设计，优化后的结构如图6所示。

  

图6 优化设计后的模型Figure 6 Optimize the designed model

将优化设计后的模型导入ANSYS中进行有限元分析（见图7），最大应力出现在主铰链处，为37.953 MPa，可以满足工作要求。左右梁未出现应力集中等情况，且各应力值较小。该设计在满足使用要求的前提下，又减轻了质量，优化方案可行可靠。

以重大地理历史事件为名称，如试用版(上海)高中地理新教材第一册的“阿波罗探月”、“中国人飞向太空”，第二册的“西欧文化的传播”、“中华文化的传播”等专栏，尽管只是以地理历史事件为主体，但事件的背后则映照着探索者们不畏艰险的大无畏精神和在事件中的历史性作用。

  

图7 有限元分析结果Figure 7 Finite element analysis results

5 结论

通过分析液压挖掘机回转平台主梁在C工况下的应力云图，对其结构进行拓扑优化设计，结论如下：

1）通过对主梁进行有限元分析发现，左右主梁内部所承受的应用较小，故可改变内部结构，以达到轻量化设计的目的。该方法可为同类型产品的分析提供依据。

2）Inspire软件可以设定优化的设计空间、目标函数，优化结果清晰可见。通过参数化设计软件Pro/e对优化后的结果进行建模，导入有限元分析软件对优化模型进行力学分析，验证结果的可行性。该方法可为同类设计及结构改进提供设计思路。

参考文献

[1]覃祖和，张丽丽.基于 ANSYS Workbench 的液压挖掘机平台结构强度分析[J].黑龙江科技信息，2017（17）：133-134.

[2]丁庆新，崔璨，丁祎，等.集成软件平台下的挖掘机动臂优化设计[J].矿山机械，2014，42（1）：25-29.

[3]申军立.机械式挖掘机工作装置机构性能研究与优化设计平台研发[D].哈尔滨：吉林大学，2013.

[4]王振.某机械式挖掘机回转平台有限元分析及软件系统开发[D].沈阳：东北大学，2012.

[5]陈欠根，宋亚宫，罗博艺.基于有限元的挖掘机平台振动功率流分析[J].计算机应用与软件，2017，34（2）：118-122.