Топологическая оптимизация рабочей системы экскаватора на основе эквивалентных статических нагрузок

Почему более лёгкие экскаваторы важны

Экскаваторы — это труженики строительства и горного дела, но их массивные стальные стрелы обходятся дорого: больше расхода топлива, больше выбросов и больше материалов за весь срок службы машины. В этом исследовании рассматривается, как перепроектировать одну из ключевых частей экскаватора — руку, соединяющую ковш с основной стрелой — чтобы значительно уменьшить расход металла и при этом выдерживать суровые и постоянно меняющиеся силы при копании. Авторы комбинируют компьютерные моделирования движения с современными инструментами проектирования конструкций, чтобы убрать ненужный материал без ущерба для прочности.

От статического мышления к движущейся реальности

Традиционно инженеры проектируют стрелы экскаваторов, рассматривая нагрузки как фиксированные по величине и направлению — упрощение, известное как статическая нагрузка. В реальном копании силы, однако, быстро нарастают и падают, когда ковш врезается в грунт или породу, сталкивается с препятствиями и откидывает материал. Проекты, основанные только на статических предположениях, как правило, либо чрезмерно массивны и тяжелы, тратя сталь и топливо, либо пропускают критические очаги напряжений, возникающие только в движении. Авторы утверждают, что реалистичный дизайн должен учитывать полное динамическое поведение машины в работе.

Преобразование движения в более простые силы

Чтобы преодолеть разрыв между сложным движением и практическими инструментами проектирования, исследователи используют подход, называемый «эквивалентными статическими нагрузками». Сначала они создают детальную цифровую модель рабочей системы экскаватора — ковш, стрелу, бум и гидроцилиндры — и прогоняют её через требовательный цикл копания в мульти- телаевой динамической симуляции. На малых временных шагах программное обеспечение фиксирует, как гибкая стрела изгибается и вибрирует и какие напряжения возникают в её стальных листах. Для каждого мгновения изменяющиеся силы движения преобразуются в воображаемый набор постоянных сил, который вызвал бы те же деформации. Эти заменяющие нагрузки позволяют рассматривать подлинно динамическую задачу с помощью более зрелых методов статической структурной оптимизации.

Поиск наилучшего использования металла

Имея серию таких эквивалентных нагрузок, команда формулирует задачу размещения материала для стрелы в компьютере. Область проектирования разбита на тысячи маленьких элементов, плотность которых может варьироваться от сплошного до пустоты, и алгоритм должен расположить материал так, чтобы стрела прогибалась как можно меньше, сохраняя напряжения безопасно ниже предела прочности и соблюдая заданный диапазон оставшегося объёма. Чтобы держать расчёты в разумных пределах, многие отдельные значения напряжений объединяются в одну общую меру, а также учитываются практические правила изготовления, такие как минимальная толщина стенки и симметричная компоновка. Опрошены несколько сценариев — от агрессивного удаления материала до более консервативного снижения веса — чтобы проследить, как изменяется внутренняя структура и распределение напряжений.

Как выглядит оптимизированная стрела

Симуляции показывают, что при слишком большом удалении материала напряжения опасно возрастают около критических шарниров, особенно в месте соединения стрелы с основной балкой. По мере небольшого увеличения допустимого объёма стрела формирует явную сеть внутренних несущих путей, напоминающую ферму, скрытую в исходной коробчатой оболочке. В наиболее сбалансированном варианте, где в конструктивном пространстве сохраняется примерно 30–40% исходного объёма, напряжения остаются значительно ниже предела прочности и распределяются равномерно, а неиспользуемые участки листа можно удалить. Исходя из этой схемы, авторы перестраивают геометрию стрелы в удобную для производства форму: наружные верхняя и нижняя пластины остаются преимущественно целыми ради жёсткости и простоты сварки, в то время как боковые пластины переформованы и выборочно вырезаны согласно оптимизированной раскладке.

Более лёгкие машины с надёжной прочностью

Когда перепроектанная стрела возвращается в полную динамическую модель экскаватора и подвергается тому же требовательному циклу копания, она работает надёжно. Новая стрела весит примерно на четверть меньше оригинала, при этом её пиковое напряжение лишь немного возрастает и остаётся с запасом ниже проектного предела, без сильных концентраций. По сравнению с обычной оптимизацией, игнорирующей ограничение по напряжениям, предложенный метод жертвует частью максимально возможной экономии веса, но снижает риск скрытых слабых мест. Для неспециалистов ключевая мысль такова: интеллектуально «выдолбив» конструкции на основе того, как они действительно движутся и несут нагрузки, тяжёлые строительные машины могут стать значительно легче и эффективнее без ущерба для безопасности.

Цитирование: Zhang, H., Shao, Xd., Jia, Mm. et al. Topology optimization design of excavator working device based on equivalent static loads. Sci Rep 16, 13054 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43544-2

Ключевые слова: конструкция экскаватора, легкие конструкции, топологическая оптимизация, динамические нагрузки, метод конечных элементов