基于碳纤维复合材料的全地形步履工程车臂架轻量化设计与分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

自然灾害救援装备作为灾害救援工作中最重要的救援工具支撑，是救援体系的基础，是决定着救援成败和救援效率的关键因素，因而其重要性日益受到人们的高度重视和广泛关注。其中，全地形步履工程车便应运而生。步履式挖掘机工作形式与传统履带式挖掘机的大致相同，主要区别是底盘行走部分。它克服了传统履带式挖掘机不能在复杂地形工作的缺点，譬如在大角度山地，较高垂直障碍物，河流，沼泽，雪山，铁路轨道行驶等。利用独立多自由度转向液压支腿进行自由角度调整，补偿地形凸凹高度差，实现在大角度倾斜地形行驶，行走，施工的目的；利用箱型伸缩斗杆挖掘臂与独立多自由度转向液压支腿的配合作业，能攀登，翻越数米的垂直障碍物，在河流，沼泽行走，作业步履式挖掘机广泛适用于军事设施，高速公路，市政河流清淤，野外通讯线缆挖沟，复杂地形爆破钻孔，岩石破碎，重物搬运，吊装^[1]，如图一。

图一

步履工作平台的臂架作为挖掘机械的重要组成部件，需要良好机械性能来完成各种工况下的工作条件。挖掘机工作部分机械手臂的结构如图示。挖掘机机械手臂有4个独立运动：整个机械手臂相对于基座的旋转运动、大臂的变幅运动、小臂的升降运动和挖铲的挖翻转动。由于4个运动都是独立的，因此该机械手臂的自由度为4，需要给定4个独立运动的伺服电机；其中1个用于给定转轴的相对于机座的旋转运动，其他3个伺服电机添加在液压缸上，分别驱动大臂、小臂和挖铲的运动^[6]，如图二。

图二

国内外对于机械轻量化的研究主要集中在汽车工业领域，对汽车车身进行轻量化以达到降低能耗的目的。挖掘机的臂架作为挖掘机械中的十分重要的结构，一般是由钢板拼焊而成的，其结构重量大，使用过程中会导致整车行动笨拙、耗能较大、振动大等缺陷，严重制约了工程车的作业效率和应用范围。目前对于臂架的轻量化设计主要是对动臂结构进行设计，其中已有的包括对动臂的结构进行简化的轻量化方案^[7]，变密度法对挖掘机动臂的轻量化设计^[8]，基于ANSYS和神经网络的液压挖掘机动臂轻量化^[9]，基于参数优化方法的动臂轻量化设计^[10]。

2. 研究的基本内容与方案

碳纤维增强复合材料(cfrp)是目前最先进的复合材料之一。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其它纤维增强复合材料所无法比拟的^[2]。碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量在国外先进战略、战术固体火箭发动机方面应用较多,如美国的战略导弹“侏儒”三级发动机壳体,“三叉戟”一、二、三级发动机壳体的复合材料裙,民兵系列发动机的喷管扩张段,部分固体发动机及高速战术导弹美国的thaad、erint等^[3]。除军用外,开发碳纤维复合材料的其它应用也大有作为,如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等^[4]。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降,在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型cfrp建材及与环保、日用消费品相关的高科技cfrp新市场^[5]。

碳纤维增强复合材料应用于挖掘机轻量化的结构主要是工作室或者液压缸的设计上，所以在挖掘机臂架这种在正常工作状况下需要承受较大负载的臂架结构，可以参考的有混凝土泵车碳纤维臂架的设计^[11]。泵车和挖掘机都是采用传统的优质合金钢来制作臂架系统。高强钢材依旧具有它的局限性，钢板通过焊接而成的臂架存在着如下问题：

1、具有强度和重量不可调谐的矛盾关系。为了使得臂架能达到较高的强度，就得通过增加钢板厚度来保证，这样势必造成增加质量。如果使用特殊强度高并且密度小的金属，又使得节臂的制造成本大幅增加，不符合实际生产需要。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需知识。确定方案，完成开题报告。完成五千字的外文翻译。

第4－7周：确定臂架的设计方案，完成三维图的建模。

第8—10周：进行碳纤维铺层方案的设计。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1] 张云. 一种步履式挖掘机的设计与研制[d].长安大学,2016.

[2] t.tafsirojjaman，sabrina fawzia，david thambiratnam. numercial investigation of cfrp strengthened rhs members under cyclic loading. structures 24 (2020)610-626