基于CFRP的矿用测风机械臂轻量化研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.012

复合材料科学与工程 ›› 2026, Vol. 0 ›› Issue (3): 102-109.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260328.012

基于CFRP的矿用测风机械臂轻量化研究

张传伟^1,2, 许士超^1*, 姜振南^3,4, 迟海波^3,4

1.西安科技大学机械工程学院,西安 710054;
2.陕西交通职业技术学院,西安 710018;
3.中煤科工集团常州研究院有限公司,常州 213015;
4.天地(常州)自动化股份有限公司,常州 213015

收稿日期:2024-12-26 出版日期:2026-03-28 发布日期:2026-04-22
通讯作者: 许士超(1996—),男,硕士研究生,研究方向为结构优化设计与碳纤维复合材料应用,1922253402@qq.com。
作者简介:张传伟(1974—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为机电系统智能控制和矿用智能车辆。
基金资助:
陕西省创新人才推进计划-科技创新团队(2021TD-27);天地(常州)自动化股份有限公司研发项目(2023TY7001)

Research on lightweight of mining wind measuring mechanical arm based on CFRP

ZHANG Chuanwei^1,2, XU Shichao^1*, JIANG Zhennan^3,4, CHI Haibo^3,4

1. College of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;
2. Shaanxi College of Communications Technology, Xi'an 710018, China;
3. CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;
4. Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China

Received:2024-12-26 Online:2026-03-28 Published:2026-04-22

摘要/Abstract

摘要： 为解决矿用测风机械臂自重过大导致运输与安装效率降低的问题,采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)对其进行轻量化设计,并通过有限元仿真方法进行优化与对比分析。以嵌套式三节伸缩臂为优化对象,开展结构优化,并分析优化后不同材质的静力学性能;通过厚度优化及铺层角度优化,确定最优设计方案。最后实施失效分析与稳定性校核,确认最优方案符合安全要求。仿真结果表明:采用CFRP优化设计的伸缩臂总质量由52.817 kg降低至33.563 kg,实现减重36.45%;同时总形变从28.855 mm降低至15.204 mm,刚度提升了47.31%。

关键词: 机械臂, 碳纤维增强复合材料, 轻量化设计, 有限元仿真, 铺层设计

Abstract: To address the issue of excessive weight in the mining wind measuring mechanical arm, which reduces transportation and installation efficiency, a lightweight design using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) was implemented. Finite element simulation methods were employed for optimization and comparative analysis. The nested three-stage telescopic boom was selected as the optimization target, and structural optimization was carried out, followed by an analysis of the static mechanical properties of different materials after optimization. Through thickness optimization and ply angle optimization, the optimal design solution was determined. Finally, failure analysis and stability checks were conducted to ensure that the optimal solution meets safety requirements. Simulation results show that the total mass of the telescopic boom with CFRP optimization is reduced from 52.817 kg to 33.563 kg, achieving a weight reduction of 36.45%. Meanwhile, the total deformation decreases from 28.855 mm to 15.204 mm, with a 47.31% increase in stiffness.

Key words: mechanical arm, CFRP, lightweight design, finite element simulation, ply optimization

中图分类号:

TB332

张传伟, 许士超, 姜振南, 迟海波. 基于CFRP的矿用测风机械臂轻量化研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(3): 102-109.

ZHANG Chuanwei, XU Shichao, JIANG Zhennan, CHI Haibo. Research on lightweight of mining wind measuring mechanical arm based on CFRP[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2026, 0(3): 102-109.

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Research on lightweight of mining wind measuring mechanical arm based on CFRP

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