机械式挖掘机以其爆破效果要求低,适应能力强,更容易达到满斗效果等特点,被广泛应用于露天矿山开采。随着经济水平的不断发展,各国对煤炭、矿产资源的需求越来越多,这对机械式挖掘机提出了更高的要求。传统的设计方法过分考虑安全系数,导致自重太大,可靠性降低,工作性能下降,因此急需新的设计方法对机械式挖掘机进行轻量化设计。本文以太原重工WK-55型机械式挖掘机动臂为研究对象,在考虑静强度约束和疲劳寿命约束的基础上对动臂做轻量化设计,主要的研究内容如下:利用离散元软件EDEM获取挖掘整个过程铲斗斗尖挖掘阻力变化曲线,在此基础上对挖掘机工作装置进行力学分析,获得动臂整体受力变化曲线,然后将动臂简化为梁单元,画出其轴力图和弯矩图,确定轴力最大和弯矩最大截面,最后确定在整个挖掘过程中弯矩最大截面弯矩最大时刻和轴力最大截面轴力最大时刻,利用有限元分析软件ANSYS Workbench分别分析弯矩最大时刻和轴力最大时刻确定应力最大时刻。确定好应力最大时刻后,利用ANSYS Workbench对动臂做静力学分析和疲劳分析,确定动臂最大应力值和疲劳寿命值,分析动臂整体应力最大位置和疲劳寿命最短位置,为下一步优化打下基础。确定动臂轻量化数学优化模型,利用拉丁超立方试验设计方法选择训练点和检验点构建代理模型,根据评价标准确定质量、应力和疲劳寿命模型类型,利用遗传算法寻找满足应力和疲劳寿命约束的基础上质量最轻的结构参数并进行验证,满足设计要求。利用拓扑优化技术对代理模型优化后的动臂结构作进一步优化,得到拓扑优化结果,并以此结果为基础对动臂进行改进,质量进一步降低,最终将获得的动臂优化模型进行验证,符合设计要求。