随着社会发展,机械化采样方式替代人工采样方式实现了更加快速、高效的采样。五自由度关节式煤炭采样车在工作空间中具有很好的避障、适应性强和多位姿等优点,在煤炭采样领域有很好的应用前景。以往针对煤炭采样车工作装置进行强度分析时,由于将结构件分开计算而产生了边界条件和载荷不确定所引入的误差,导致了计算结果不够精确。由于工程机械普遍存在强度、刚度盈余、自重过大等缺点,未能最大程度发挥材料性能,因此煤炭采样车工作装置的结构强度和机械臂截面尺寸直接影响整机的可靠性和经济性。据此,本文结合实际项目,提出了一种五自由度关节式煤炭采样工作装置的设计方案,并对工作装置进行了机构尺寸设计、工作空间仿真分析、集成有限元分析和结构优化设计,论文主要工作有:首先,简明介绍了在现代煤炭交易中,煤炭采样环节的效率直接影响整体煤质检测时间,因此迫切需要以自动化设备替代人工煤炭采样。在明确课题研究的背景下,简单介绍了煤炭采样车的整机组成、机构特点和工作原理等。同时,根据工作要求提出了关节式煤炭采样车工作装置初步设计方案,借助于Matlab强大数学计算功能和优化函数对工作装置的机构尺寸进行了优化与求解。其次,用SolidWorks建立工作装置三维模型,基于SolidWorks Motion运动仿真得到工作装置的工作空间及运动特性。在建立工作装置集成有限元模型时,将复杂的实体接触问题通过约束方程理论转化为在ANSYS中建立刚性区来求解。将工作装置三维模型导入ANSYS中,在对煤炭采样车工作装置三种典型工况分析的基础上,采用节点耦合和生成MPC184单元的方法模拟了销轴连接,采用Link8杆单元模拟了油缸连接,建立了工作装置整体集成有限元模型,并进行了强度、刚度和模态分析。最后,采用了一种针对CAD软件模型导入ANSYS经典界面中参数化处理的方法,依此建立了工作装置的整体参数化模型。以工作装置整体的总体积最小作为目标函数,选取大臂、中臂和小臂臂厚尺寸作为优化参数,相应的定义了9个设计变量,提取优化模型的静力分析结果中最大应力和最大位移作为状态变量,对模型进行优化设计。本文主要以最优化理论为基础,以集成有限元分析为方法,对提出的五自由度关节式煤炭采样车工作装置进行了基于Matlab的机构尺寸的优化和基于ANSYS的结构尺寸的优化,最后实现工程机械轻量化设计的目的,为同类产品的优化与改进提供参考价值,为解决实际工程问题提供了重要的理论依据。