基于AltairInspire的玩具挖掘機小臂的輕量化設計

【Abstract]Thisdesignutilizes AltairInspire，alightweightdesignsoftware，toconductcomprehensiveoptimizationof the toyexcavator'sforearmthroughtopologyotimzation，geometriceconstruction，strengtherification，andutomaticing. Theoptimizedmodelisfurtherrefinedthroughmanualfitingandreconstructiontoachievethegoaloflightweightdesign.The resultsshowthatundertheconditionsofmeeting therequirementsofstrengthandminimumsafetyfactor，theweightreduction rate of the toy excavator arm reaches 65.55% ，effectively reducing manufacturing costs and energy consumption.This optimizationplanprovidesafeasible method for thelightweight design of toy excavator arms.

[Key Words】the forearm ofatoy excavator;lightweightdesign; Altair Inspire;topological optimization [中圖分類號］TQ320.63 [文獻標識碼]A [文章編號]1674-3229（2025）02-0073-07

0 引言

挖掘機作為一種常見的工程機械設備，應用于基礎設施建設、房屋建筑、采礦作業、農田水利、工業生產、國防建設等各個領域。隨著挖掘機的影響力越來越大，全球范圍內的挖掘機玩具制造商逐漸增多，要求越來越高，行業內的競爭越來越激烈。為改善玩具挖掘機的工作性能，提高工作效率，增加運轉剛性，降低生產成本，減少工件質量，降低能耗，研究玩具挖掘機小臂輕量化設計已成為當前的研究熱點[1-3]。

玩具挖掘機斗桿，亦被稱為小臂，是玩具挖掘機的重要工作機構之一。通過對小臂進行深入研究，可以對小臂進行精準地輕量化設計。在充分保證其結構強度滿足使用需求的基礎上，最大限度地降低成本，實現小臂輕量化設計與經濟性的雙向要求。合理的設計，使得小臂在強度、使用壽命、受力能力等方面都處在一個最優的工作區間，能夠與油缸、鏟斗等關聯部件進行良好匹配，最大限度地滿足使用需求。

近年來，越來越多學者運用輕量化設計解決實際問題。陳艷對大型液壓挖掘機工作裝置進行輕量化研究[4]。于翔等將輕量化技術運用到汽車等大型交通工具上[5-6]。王健等在綜合考慮了多種典型工況、理論挖掘力、靜態強度的基礎上，采用AN-SYS、MATLAB與導重法相結合對挖掘機工作裝置進行了優化設計，最終優化結果表明，在滿足材料許用應力的情況下工作裝置質量減少了 21%^[7-8] 。李占龍9等詳盡地闡述了液壓挖掘機工作裝置的優化策略，不僅深入探討了局部與整體優化的方法，還詳細解析了新型結構的設計理念和實際應用，展望了現代優化架構的發展趨勢，為液壓挖掘機工作裝置的優化設計提供了寶貴的參考和啟示[0]。

輕量化設計已經成為機械工業、汽車和航空航天行業等多個領域重點發展方向之一，具有廣闊的發展前景[]。Altair Inspire擁有拓撲優化、增材制造設計以及結構分析等多元化功能，為用戶提供了一站式的解決方案，是一款功能豐富的輕量化設計軟件，無論用戶面臨何種輕量化設計挑戰，AltairInspire都能滿足其需求，實現高效、精確地設計優化[12]。Al-tairInspire軟件能夠與CAD、SolidWorks工具緊密協同，在設計階段為用戶提供全面且高效的結構設計解決方案，通過在給定的區域內對材料分布進行優化，從而大大降低成本、減少開發時間和物料消耗，并減輕產品質量[13]。

本設計以玩具挖掘機工作裝置中的小臂為對象，通過AltairInspire軟件對玩具挖掘機小臂進行優化設計。在優化設計過程中，小臂原始設計空間的質量為 34.94g 。經過輕量化設計優化之后，小臂部件的設計空間質量顯著減輕，降至 12.037g 。這意味著通過輕量化設計，本設計成功地實現了65.55% 的減重效果，這一改進不僅有助于減少能源消耗，還能降低制造成本，具有一定的參考價值。

1 小臂輕量化設計

本設計以特定的玩具挖掘機為例，其各個組成部分均為給定材料Exca。其材料參數為彈性模量190.0E+03MPa ，泊松比0.31，密度 7.89E-6kg/mm³ 屈服強度 。在優化設計過程中，玩具挖掘機的初始狀態的總體質量為 551.73g ，斗桿初始質量為 34.94g 。

玩具挖掘機應對不同工作環境下快速變換工作方式，組成部分如圖1所示。圖2（a）為玩具挖掘機執行機構的4個驅動方向示意圖，圖2（b）為玩具挖掘機機構中需要優化的斗桿零件，已將零件的非設計空間（boss1—boss7）分割出來。

通過對該機構中的二級臂實際受載情況進行適當簡化，設定拓撲優化的條件，選取設計空間，使用Altairinspire中的運動模塊對玩具挖掘機小臂進行運動分析。運動分析后進行初始強度判斷、定義設計空間與優化方案、設定優化參數及目標、最終提取拓撲優化模型，對模型進行重構，進行強度校核。具體流程如圖3所示。

對玩具挖掘機小臂拓撲結構的輕量化設計，其中強度方面要求工作時能承受動載荷，一般情況下工程設計中要求材料的安全系數大于等于4.0，以確保在使用過程中不會發生材料破壞。在剛度方面要求二級臂材料最大變形量不大于其許用的變形量。

1.1指定設計空間

如圖4所示，指定玩具挖掘機小臂主體部分即紅棕色部分為設計空間，其他灰色的部分為非設計空間。

1.2約束條件與工況分析

根據玩具挖掘機小臂在實際工作中不同工況，對模型進行約束。將圖1中右側履帶、左側履帶和懸架設置為地平面固定約束。重力方向為-Y方向。“斗桿設計空間designspace”與“非設計空間boss1-7\"創建為剛體組1。“懸架\"\"左側履帶\"\"右側履帶”與“駕駛室\"創建為剛體組2。鏟斗活塞與鏟斗缸體、斗桿活塞與斗桿缸體、左側動臂活塞與左側動臂缸體、右側動臂活塞與右側動臂缸體連接方式均為激活的圓柱鉸接。動臂、駕駛室以及其余零件之間的連接均為激活的鉸接。對玩具挖掘機小臂進行運動分析需要考慮兩種工況表達條件。工況一，使用玩具挖掘機小臂機構進行作業；工況二，使用玩具挖掘機小臂進行鑿地作業。得到被優化的部件在運動過程中受到的相應載荷如圖5所示，并滿足挖掘作業時玩具挖掘機小臂的平衡方程，平衡方程中的合力與合力矩均為0。

1.3初始強度分析

對玩具挖掘機小臂原始結構進行分析，得出最大位移為 3.914E-05mm ，最小安全系數為141.9，最大米塞斯等效應力為 0.634E-01MPa 。由圖6可知，玩具挖掘機小臂容易損壞的地方在于與鏟斗連接處。

1.4小臂拓撲優化

拓撲優化技術是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，通過數學算法自動調整設計空間材料分布，以尋找結構的最優布局的技術。不同設計空間的形狀控制，會得到不同的結果，本次設計的限制條件為以最小化質量、最小安全系數4.0為優化目標。表1是玩具挖掘機小臂設計空間不同形狀控制的優化方案。具體形狀控制如圖7（a-f）所示。

1.5小臂模型重構

圖7所設方案中，圖7（a）的形狀控制為對稱性，通過設置質量目標和厚度約束，其初始優化后的形狀只有單面鏤空優化，得到最小安全系數和質量滿足預先設計要求，但由于駕駛室的作用，駕駛室與動臂的鉸鏈連接，會導致受力不均，當工作一段時間后，會導致其發生斷裂，不能滿足使用要求，故方案a排除。

圖7（b）的形狀控制與圖7（c）的形狀控制所得的初始優化形狀均是單面鏤空優化，和上述a方案情況相同，也不能較好地完成對應力集中作用的削弱，故方案c排除。

圖7（d）的形狀控制為周期性，通過設置質量目標和厚度約束，其初始優化后的形狀不能連接成型，不能得到最小安全系數與質量，故方案d排除。

圖7（e）的形狀控制為橫向周期性，通過設置質量目標和厚度約束，其初始優化后的形狀為雙側對稱均勻支撐優化，得到最小安全系數和質量滿足預先設計要求，可以有效抵消由于駕駛室與動臂的鉸接關系導致受力不均的情況，方案e滿足一定條件。

圖7（f的形狀控制為沖壓，通過設置質量目標和厚度約束，其初始優化后的形狀不能連接成形，故方案f排除。

綜上，初始優化中方案a、b、c和e能滿足一定條件，但由于駕駛室和動臂的鉸接關系，方案a中間沒有支撐，只有邊框架；方案b、c中雖有邊框架和支撐，但由于形狀只有單面，于實際情況應用中，不能較好地減少應力集中問題；方案e中，初始優化形狀對稱均勻且有一定支撐，能克服駕駛室和動臂的鉸接的作用，減少應力集中作用。其硬度、強度、質量、最小安全系數均在規定范圍內，滿足輕量化設計要求，同時滿足兒童在使用中的安全要求，故選擇方案e。

基于e方案進一步進行參數設計優化。對于玩具挖掘機小臂的模型重構，可以分為自動擬合和手動擬合。自動擬合（AutomaticFitting）通常指的是在數據分析中使用計算機算法來自動尋找數據與數學模型之間最佳配合的過程。這個過程可以無需人工干預或者只需要很少的人工指導。在進行自動擬合時需要將自動擬合的設計空間模型與非設計空間的部分進行布爾運算，最后倒完圓角后進行運動分析。其優點在于速度快、效率高，可以減輕工作負擔。然而，過度依賴自動擬合優勢，會出現局部結構不合理的情況。

手動擬合（ManualFitting）是一種通過研究人員對數據的選擇和調整，來優化數學模型參數的過程，目的是使模型能夠盡可能準確地反映數據集的特征。在使用Altairinspire軟件進行手動擬合時，可以通過PolyNURBS擬合。需先選擇包覆命令，在此過程中，可使用 +1-， 拆分、銳化等命令輔助手動重構完成。由于玩具挖掘機小臂模型屬于對稱模型，所以在完成一側手動重構后，可選用鏡像主體命令，將完成好的重構鏡像復制，使重構后的模型還是對稱模型，如圖8所示。

對于設計空間與非設計空間處，進行實體部分的拉伸。可先建立草圖，然后進行草圖描邊，最后使用拉伸命令進行拉伸。對于手動重構后的模型，需要將設計空間與非設計空間進行布爾運算連接，然后倒圓角，最后進行運動分析。最終得到如圖9所示的模型，其質量為 12.037g 。

1.6小臂重構模型的強度分析

圖10所示為玩具挖掘機小臂的自動擬合封裝結果與手動擬合封裝結果。自動擬合的最大位移為 3.362E-04mm ，最小安全系數為17.2，最大米塞斯等效應力為 5.223E+00MPa ；手動擬合的最大位移為 7.899E-04mm ，最小安全系數為11.0，最大米塞斯等效應力為 8.214E+00MPa 。綜上，選擇手動擬合結果。

2 結果分析

在強度方面，玩具挖掘機小臂在輕量化設計之后，采用手動擬合重構，最大位移為 7.899E-04mm 最小安全系數為11.0，最大米塞斯等效應力為8.214E+00MPa ，質量為 12.037g ，滿足設計要求，最終質量減重 65.55% 。在結構方面，優化后的零件，由原始的實體變為了以X-Y平面對稱的周期性結構，玩具挖掘機小臂質量在減輕的同時，連接部分強度滿足要求。為此，玩具挖掘機小臂的輕量化設計具有一定的合理性。

對比分析可知，在相同工況下，優化模型的最大位移較原始模型有一定幅度的提高，且在設計允許范圍內，滿足設計要求。最大應力較原始模型有所增加，但仍滿足材料最大應力要求，且應力分布更為均勻，說明優化模型具有合理性，滿足設計需求與使用需求。通過3D打印，得到最終模型，如圖11所示。

3結語

本設計通過Altairinspire軟件對玩具挖掘機小臂進行了輕量化優化設計。通過優化設計過程，玩具挖掘機小臂減重率達到了 65.55% 。在滿足強度、剛度的要求下，大幅度地降低了挖掘機的質量，能夠一定程度上為玩具挖掘機生產制造行業提高經濟效益。本文的研究方法和成果具有一定的可行性，為玩具挖掘機小臂的進一步研究設計提供了一定的參考。

[參考文獻]

[1]侯文峰，趙光，張洋，等.挖掘機回轉支承載荷分析及選型[J].建筑機械，2020（01）：58-65.

[2]鄧小雷，王振飛，呂笑文，等.混合田口法和有限元法的竹根挖掘機支架結構優化設計[J].機械設計與制造，2021（02）：237-240.

[3]管琪明，解思狀，賀福強，等.基于RecurDyn和ANSYS的液壓挖掘機動臂結構優化設計[J].機械設計與制造，2021（01）：167-170.

[4]陳艷.大型液壓挖掘機工作裝置輕量化研究[D].太原：太原科技大學，2014.

[5]于翔，段彩云，曲漢偉.車燈裝配專用機械臂輕量化設計研究[J].制造技術與機床，2019（12）：96-100.

[6]陳明福.基于有限元法的輕質材料汽車零件熱沖壓成形優化研究[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2023，23（02）：35-40.

[7]王健，王虎奇，陳志峰.8噸挖掘機工作裝置的有限元分析與優化設計[J].機械設計與制造，2022（03）：19-23.

[8]鄭麗萍.基于有限元法的新能源汽車電池包箱體輕量化設計[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2023，23（04）：53-58.

[9]李占龍，諸小武，高山鐵，等.液壓挖掘機工作裝置優化研究[J].機械強度，2023，45（01）：105-114.

[10]趙旭.大型液壓挖掘機工作裝置結構性能分析與輕量化研究[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[11]張兆銳.基于ICME的Al -Mg-Zn-Cu 合金設計、析出行為及強度/塑性匹配機理研究[D].北京：北京科技大學，2023.

[12]翟洪飛，侯俊劍，房占鵬，等.基于拓撲優化的輪轂電機殼體結構輕量化研究[J].機械設計，2022，39（01）：105-110.

[13]逢彥紅，紀小坤，劉丹丹，等.某型號渦旋壓縮機機架拓撲優化與輕量化設計[J].機械設計，2022，39（04）：110-114.

責任編輯呂榮榮