工程机械结构现代强度设计方案的研究

谷丁

摘要：工程机械结构现代强度设计方案在制定和落实过程中，结合实际情况，发现有限元法和最优化理论法是具有实质性意义的方法。本文针对传统工程机械结构设计的具体使用方法，以及存在的对应问题进行分析，并且结合实际情况，提出现代强度设计方案，为工程机械结构的优化效果提供有效保障。

关键词：工程机械；机械结构；现代强度；设计方案

通过对相关数据统计结果进行分析可以看出，工程机械构件的重量，能够直接占据到工程机械整个机器重量的50至70%左右。现阶段，在针对工程机械结构进行强度设计时，仍然还没有一套比较完整的设计方案。虽然结构强度设计领域的整体发展势头比较迅猛，但是由于工程机械结构强度设计的整体技术要求比较高，难度也比较大，所以仍然不能够被普及。

1.传统工程机械结构设计的方法及存在问题分析

1.1类比法

一般传统工程机械结构在设计过程中，都会利用类比的方法进行。类比法其实就是选择一个可以跟其进行比较的样机，与实际情况进行结合，对新产品的设计效果进行参照分析。比如可以通过测绘的方式，或者可以通过一些软件转化图纸的方式等。这种设计方法在实际应用过程中，在短期内虽然效果比较良好，但是这种方法由于本身并不具有独立创新的设计能力。所以通过这种方法设计出的产品，虽然能够将样机的长处进行有效的吸收，但是也很难避免其存在严重的缺陷问题。比如我国在七十年代的时候，设计出的挖掘机弯动臂，在初期时，设计图纸当中几乎都会发现有局部强度不足的问题，这些问题的出现，势必会对工程机械结构的整体运作效果产生影响[1]。

1.2材料力学的结构强度设计

在针对一维问题进行解决时，材料力学在其中的整体应用效果比较良好。但是由于应力集中区域和荷载作用点附近的应力解，并不能够达到令人满意的效果，所以仍然需要对其进行优化和完善。表1中所示内容是某挖掘机弯动臂在实际应用过程中，其应力的分析数据。在针对这些数据进行分析和深入研究之后可以看出，材料力学解在应用时，并没有对真正的危险断面或者是危险点进行准确有效的判断。

表1挖掘机弯动臂应力分析数据表

在针对工程机械结构进行强度设计的时候，虽然与其相关的一些教材或者是专业书上都有相对应的介绍，并且将计算方法也一并介绍。但是这些材料的内容大多数都是在材料力学理论的基础上逐渐演变，所以整体求解的精准度比较低，已经不能够满足现代工程机械结构在强度设计过程中提出的个性化要求。

在针对工程机械结构强度进行设计的时候，通过有限元法和传统方法的利用，在同一荷载的状态下，可以实现对某装载机工作装置强度的有效分析。这两种方法在应用时，所能够提供的危险断面具有明显的差异性，这就导致对应的应力符号相互之间也具有一定的差距，两者之间并不具有可比性。在针对装载机的工作装置情况进行计算时，必须要将偏载的实际情况作为强度计算的基础，但是传统结构设计方法在应用时，无法对这种情况进行妥善处理，所以只能利用有限元法进行替代[2]。

2.工程机械结构现代强度设计方案的制定和落实

2.1外载荷研究的基本方法

在针对外载荷进行研究和分析的时候，为了保证工程机械结构现代强度设计方案的制定，需要通过各种不同的理论依据作为支持。其中包括静态试验、准动态试验等，这些不同类型的方法在实际应用时，可以发挥出不同的实质性作用，为工程机械结构现代强度设计方案的制定打下良好基础。

静态试验和动态试验在实际运作过程中，其根本目的是为了能够为应力分析提供准确有效的数据作为支持。与此同时，能够实现与有限元应力相互之间的补充，最大限度保证对外荷载数据的有效分析。表1中所呈现出的内容，主要是指有限元、静态和动态试验的应力数据。在高应力区域当中，这几个数据相互之间的差距可以被控制在10%之内。由此可以看出，有限元分析过程中，其对外荷载的分析和作用具有准确性和有效性，所以可以放心使用。在针对动态试验以及应力谱数据根据采集时，试验系统的整体运作方式基本上一致。但是由于动态试验在具体实施过程中，会受到一些人为因素的影响，大多数都会选择在一些恶劣的工程条件下，所以会使用比较小的试验量来获取到相对应的荷载极值。应力谱数据采集试验系统在实际应用过程中，其能够尽可能排除一些人为因素的影响，由于该系统具有一定的随机性特征，所以在针对样本进行选择和利用时，要保证样本的量能够达到一定标准要求[3]。

2.2准动态试验

准动态试验在实际操作过程中，其主要是针对某种极限作业的整个过程进行模拟，对该过程的瞬时荷载关系进行试验分析，这种试验方式对外荷载分析具有实质性作用。在针对装载机液压缸力“对称”条件进行深入研究的时候，就可以通过准动态试验的方式进行。在整个过程中，需要将整机停放在试验台上，根据铲斗可以承受的铲切阻力，将其逐渐简化处理，简化到斗齿一点或者是指定方向的时候，可以直接将斗齿通过传感器链进行有效的约束。在这一基础上，与实际情况进行结合，根据提臂和转斗作业的实际情况，给其中一组缸进行供油，一直到溢流为止。对两组缸的油压、斗齿反力进行有效的记录，通过这种方式可以对液压缸力的恒对称条件进行有效分析，并且对瞬时冲击载荷进行确定。在经过准动态试验之后可以确定，瞬时冲击载荷被控制在25%以下。

3.结束语

综上所述，工程机械在实际应用过程中，要采取有针对性的措施对其结构进行优化和完善，这样不仅能够从根本上促使成本投入得到有效控制，而且还能够促使工程机械结构在实际应用时的可靠性得到提升。

参考文献：

[1]张德权.基于随机场理论的机械结构动态可靠性研究[D].湖南大学，2018.

[2]李丹乐.公铁两用吊篮式桥梁检测车上装系统的结构开发与仿真研究[D].青岛理工大学，2018.

[3]向琴.基于ECC的工程机械再制造方案决策研究[D].武汉科技大学，2017.