1机械轻量化设计的重要性

早期工业发展模式相对粗糙，特别是施工机械设备、矿山机械设备等大型设备设计理念相对滞后，施工机械设备材料利用率不足，导致整个设备非常笨重；为了驱动笨重的机身、臂等结构件，会造成更大的驱动系统，造成大量的能耗，加上使用大量的钢材，也容易受到材料腐蚀等危害的影响，这些设备往往不能胜任复杂的施工环境，设备使用效率比很低。采用轻量化设计理念进行重新设计，既能有效克服上述问题，又能大大提高产品质量的稳定性和设备的整体质量。机械轻量化的重要意义包括：（1）减轻整机结构重量，改善各结构部件之间的合作关系，以更合理的方式实现驱动运行合作，简化机械结构调整，并在更大范围内控制材料成本。（2）通过轻量化设计，可以提高施工机械的生产效率，降低能耗，节能环保。机械设备结构部件自重每减1%，可降低产品运行能耗1.5%，减排效果提高0.5%。

2机械轻量化发展现状

在欧洲和美国等发达国家，由于其工业革命的早期发展，其设计水平在20世纪90年代达到了很高的水平，而先进的制造技术和信息技术往往可以促进其施工机械具有重量轻、耐久性高的优点。同时，为了促进施工机械轻量化目标的实现，在施工机械零件、材料制造过程中，通常需要选择一些高性能材料，如高强度钢、航空铝等，确保提高施工机械强度，降低施工机械零件的重量和体积，为完成施工机械轻量化目标奠定基础。经过长期的研究，我国大部分建筑机械产品从开发到设计，新材料和高端技术的采用几乎为零，国外建筑机械产品的设计仍大量引进，与欧美发达国家的制造水平差距较大。我国施工机械轻量化设计研究仍处于起步阶段，在设计开发项目中缺乏实践和应用。在保证结构部件整体刚度和强度的同时，促进新材料的不断开发和使用，利用优良的制造工艺和新技术不断提高新材料的使用比例，减轻设备的重量，降低设备的能耗。同时，施工机械的轻量化设计可以在一定程度上减少材料生产过程中的碳排放，提高机械的能效，提高施工机械的整体使用寿命。

轻量化技术在机械设计中的实现途径

3.1优化结构总成设计

在旧型号的机械产品中，对结构复杂、自重的批评较为普遍，结构设计不合理，零部件实际利用率较低。因此，有必要对施工机械进行结构总成优化设计和研发。通过优化设备结构和不同部件之间的合作，可以达到降低施工机械自重和运行能耗的目的。结构总成优化的研发可以细化为尺寸优化、拓扑优化和外观优化。在施工机械结构总成优化研发过程中，需要对基础型号施工机械的实际使用情况进行调查分析，准确评价不同部件的实际利用率，在不影响施工机械使用功能和运行性能的情况下废除冗余部件。例如，在M3KT~652700型自卸车的开发中，采用了全新的整体桥梁结构，废除了冗余副车架等部件，取得了显著的轻量化效果。我国一些新型挖掘机设备采用U型板废除了加强板中的一些冗余部件，从而改进了机械结构。

3.2三维动态仿真设计

在机械轻量化开发中，研发设计师需要综合研究材料的性能、结构、设备用途、不同结构之间的关系等诸多因素。整个设备的研发难度大，工作量大。而产品设计受研发人员自身专业素质因素的影响，机械轻量化设计案例往往存在许多问题，特别是施工机械等重型设备大尺寸结构和复杂结构部件，复杂，难以实现，许多设计研发问题往往难以在短时间内取得突破性成果，缺乏较高的研发成功率。在机械轻量化技术过程中，结合三维动态仿真设计和有限元分析方法，可以在现有数据和机械研发方案的基础上创建高度仿真模型，帮助研发工程师直观了解施工机械设计结果；开展仿真实验，模拟施工机械在不同环境条件下的工作条件，确保施工机械设备质量合格，满足实际使用要求。同时，还可以帮助R&D工程师完成大量的数据计算和问题解决，使R&D人员模拟和计算极限理论数据，提高施工机械R&D的水平和效率，不断修改设计方案。

3.3新材料的选择

钢材在施工机械设计中的用量往往超过设备材料总用量的30%，减少传统钢材的使用是施工机械轻量化设计的重要组成部分之一。

3.3.1.高强度结构钢在机械轻量化设计中的应用:近年来，高强度材料已成为一种快速发展的趋势。在机械研发过程中，需要适当增加高强度结构钢在施工机械中的应用。高强度结构钢可以全面提高施工机械的性能和质量，减轻施工机械的重量。中国开发的Q660、Q960等高强度结构钢广泛应用于制造大型起重机吊臂，采用900MPa强度～1600MPa的高强度结构钢取代了传统的低强度结构钢，可将钢构件的重量减少到原重量的55%以下。

3.3.2碳纤维增强复合材料在机械轻量化设计中的应用:与以往的各种传统材料相比，碳纤维增强复合材料具有优异的抗疲劳和抗断裂性能、比强度高、使用寿命长、质量轻等优点。在复杂的工作条件下，还可以保证施工机械的相对稳定运行。在施工机械轻量化设计过程中，研发人员可以增加碳纤维增强复合材料的应用。

3.3.3铝合金材料在机械轻量化设计中的应用：铝合金材料具有强度高、导热性好、精度高、重量轻、可回收等优点，广泛应用于各行业；在航空航天领域，节能减肥是以克为单位计算的。在汽车工业中，铝合金材料可用于车轮制造、新能源汽车车身；铝合金材料也可用于大量的机械设备和日用品。铝合金材料用于满足轻量化要求。在飞机发动机中，许多零件需要高耐腐蚀性和优异的导热性，以及与其他零件的高契合度。近年来，铝基复合材料的性能明显超过了以往的铝合金材料，其稳定性、强度和抗断裂性都超过了以往的产品，重量可以降低50%以上，未来可以应用于更多的机械设计和开发。

3.4大力投入科研建设

机械设计轻量化的实现是一个技术积累和系统改进的漫长过程。要完成机械设计的轻量化，不仅需要投入巨大的财政支持，还需要大量的科研人员投资，建立具有创新能力的科研团队。研发团队需要通过不断的数据实验和创新概念积累成功的经验，分析大量的实验数据，根据实验数据设置相关参数，利用先进的数字设计技术和三维软件开发工具来改善设计的迭代周期。这一过程要求政府、大学和企业共同实施创新驱动的发展战略和人才培训计划，企业与大学合作建设科技成果转化、产业研究中心，建设科技园区。政府依托孵化园区，全力推进人才、技术、项目对接，吸引更多高新技术企业、先进技术项目和高水平人才开展创新科研工作，为具有竞争力和创新示范价值的轻量化技术创新成果转化工程奠定坚实基础。

4结语

综上所述，轻量化设计不仅可以提高施工机械的生产效率，还可以提高生产质量。轻量化作为未来制造业的主要趋势，是提高机械生产功能性和经济性的重要途径。因此，我国有关部门要加强轻量化设计技术的研发，掌握机械设计的实际发展方向，优化产品的轻量化设计，为我国制造业的健康发展打下良好的基础。因此，必须加强轻量化技术的应用，更加重视，明确机械轻量化设计的实现途径，采取上述技术应用措施，不断优化创新轻量化技术体系，促进机械制造业的健康可持续发展。