装载机是一种应用广泛的工程机械,房屋、道路、桥梁等施工现场都可见其身影。目前国内的装载机普遍存在质量大、耗能多等问题,而装载机工作装置的结构直接影响整机的质量、工作效率与能量消耗。为了综合提高装载机的经济效益、增强产品的竞争力,对其工作装置进行轻量化研究具有很好的现实意义。动臂属于装载机工作装置中质量较大、承载较多的主要部件。动臂设计时,通常规定较高的安全系数并进行加厚处理,这势必导致动臂应力富余、材料利用率低,并且动臂变得更笨重。因此有必要对动臂进行轻量化结构设计,在保证动臂强度、刚度的前提下减轻其质量,以达到最佳的结构效能。鉴于常用的轻量化处理方法存在成本过高、难以结构拓扑、或是拓扑之后全局最优解与局部最优解差异较大等不足,本文提出了基于仿生学原理的结构轻量化创新设计理念。以ZL50型装载机动臂为原型,进行了动臂构型特点、受力情况及有限元分析。以竹子为仿生对象,设计出了借鉴竹子的空间结构与特殊性能的轻量化仿生动臂,并应用ANSYS Workbench软件中响应面法对此仿生动臂进行了结构优化。研究表明所设计的轻量化仿生动臂是可行的,且具有实用价值。本文的具体研究内容及成果如下:1)根据ZL50型装载机工作装置的结构特点,对工作装置进行了受力情况分析,专门计算了四种极限工况（均载极限插入、均载极限掘起、偏载极限插入、偏载极限掘起）下工作装置的外部载荷以及关键铰接点的受力大小;使用Solidworks软件对装载机工作装置的各零部件进行三维绘制,并进行了三维模型装配;2)将装载机主要零部件动臂的三维模型导入软件ANSYS Workbench中,在检验了网格无关性之后,进行静力学分析。仿真显示了动臂在前述四种极限工况下的应力与位移云图,由此可以判断出动臂满足强度与刚度需求,发现应力富余、材料冗余的区域,证明了装载机动臂结构轻量化仿生处理的可行性。3)通过对竹子空间结构的力学分析发现:空心结构具有更好的抗弯性能与稳定性,一年生竹子的上半段力学性能最好,该段竹子横截面的壁厚与外径之比近似恒定,竹子的竹节具有类似加强筋的功能。从功能、结构、载荷三个方面,运用模糊数学对竹子与装载机动臂仿生空间进行了相似性分析及相似度计算,证明了装载机动臂轻量化仿生思路的合理性。4)受竹子独特结构与特殊功能的启发,设计了横截面形状分别为圆形、椭圆形、腰形和正六边形的四种中空柱状动臂仿生单元结构。在边界条件相同的情况下,对上述四种动臂仿生单元结构进行了有限元仿真对比分析,结果表明腰形截面的动臂仿生单元结构的力学性能最佳。将腰形截面的仿生单元结构对称放置于动臂两侧板的仿生空间,改变仿生竹节长肋板的数目,进行了动臂的静力学仿真,得到了动臂前后两臂作为加强筋的长肋板最佳排布数。对所提出的仿生动臂按前述四种极限工况进行了有限元分析与仿真,结果表明仿生动臂在满足强度与刚度条件的同时,动臂的质量明显减少、应力分布更加均匀,达到了动臂的轻量化目标。5)应用ANSYS Workbench中的响应面法,对仿生动臂结构作进一步优化。在Design of Experiments模块选取合理数量的样本点之后,建立标准二阶响应面,通过多目标优化中的多目标遗传算法选出三个候选点并确定了最优候选点,将其参数用于仿生动臂之中,通过前述四种极限工况下的有限元分析显示出结构优化后的仿生动臂在满足力学条件的前提下减轻了质量,实现了装载机动臂的轻量化及结构优化。