装载机作为应用广泛的土方机械之一,其作业对象通常是碎石、沙子、土壤等散体物料,装载机铲斗作为与物料直接接触的工作装置,其结构强度和优化设计对提高整机工作效率和降低燃油消耗具有重要意义。因此,结构强度分析理论和方法的准确性和合理性将对后续的优化设计产生直接影响。现阶段学者多采用传统强度分析方法对铲斗等工作装置进行强度计算,忽略了物料之间、物料与设备体之间的散体力作用。本文在总结了国内外铲斗强度分析和结构优化研究成果的基础上,基于物料特性对物料和设备体之间的散体力作用关系进行研究,提出了一种考虑散体力的铲斗强度分析方法,采用一种离散元-有限元耦合方法对铲斗进行强度分析,并通过试验验证了该方法的合理性。最后分析了铲斗结构参数对铲斗作业阻力和强度的影响,为铲斗结构优化提供依据。主要研究内容和成果如下:(1)介绍离散元-有限元耦合分析理论。基于离散元素法理论和有限元素法理论,介绍了离散元-有限元耦合分析的理论,并对离散元-有限元耦合形式进行分析;(2)建立铲斗作业过程的离散元仿真,并获取铲斗受力。基于铲斗自身特征建立了铲斗模型;对物料之间、物料与铲斗之间的接触参数进行标定;基于逆向工程技术对碎石形状进行反求,并对得到的物料轮廓进行填充,建立了碎石仿真模型;通过虚拟样机技术对铲斗进行运动学仿真,获得铲斗的运动特性;对边界条件进行设置完成铲装过程的离散元仿真,得到铲斗的作业阻力;(3)将离散元素法得到的作业阻力作为外载荷,采用有限元的方法对铲斗进行强度计算。通过对铲装过程进行可视化处理,获得斗内物料作用位置的变化情况以及不同时刻铲斗的受力情况,并采用有限元的方法分析铲斗在散体力作用下的力学响应,获得应力和变形等特征;(4)完成装载机铲斗动态应变测试实验。通过测点的布置、应变片的选择、测试工况的选定等试验准备环节,对该型号装载机铲斗进行动态应变测试试验,将试验结果与理论计算结果进行对比,验证了该理论方法的合理性;(5)分析铲斗结构参数对作业阻力和强度的影响。选择铲斗结构设计中比较重要的参数进行优化,并对优化后的结构进行离散元仿真获取铲斗的作业阻力,并采用有限元的方法,计算不同结构下铲斗的强度变化情况,得到不同结构参数对作业阻力、强度的影响曲线,并在综合考虑这两个指标的情况下,得出了参数最优取值范围,并得到一组最优结构参数组合:侧刃角为60°、底板长度为431mm、挡板高度为120mm、斗张角为42°,为铲斗结构优化设计提供参考。