0 引言

煤炭是我国存量最大、可靠性最高、经济性最好的能源。我国90%以上的煤矿以井工开采为主，且有相当数量的煤矿属于高瓦斯矿井，开采过程中极易发生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等安全事故，造成人员伤亡和财产损失，给煤矿安全生产带来严重威胁[1]。自动钻机用于施工瓦斯抽放孔，是瓦斯治理的关键设备。随着煤矿井下智能化技术的发展，对钻机的功能要求越来越多，导致体积和重量的增加。笨重的体型不利于运输和移机，动作灵活性和控制灵敏性也较为困难，严重制约着自动钻机的进一步发展。轻量化设计是解决上述问题的有效途径。

1 轻量化技术

轻量化技术包括“结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化”三个方面，如图1所示。其中结构轻量化主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优化（multidisciplinary design optimization，MDO）；材料轻量化主要包括对高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等的应用；工艺轻量化包括使用激光焊接和液压成形等先进的制造工艺。轻量化技术在汽车和工程机械等领域都有广泛的应用[2，3]。

图1 轻量化技术的分类

2 结构轻量化

2.1 尺寸优化

尺寸优化是结构优化设计中应用最成熟最广泛的一种轻量化技术，它是指对设计对象的截面尺寸、壁厚、减重孔（槽）尺寸等参数进行优化以达到减重的目的。其数学表达式为：

其中：m为质量；uk为节点k的位移；σmax为最大应力；fn为第n阶固有振动频率；x为尺寸变量向量；中括号“[]”为约束函数的许用值。左文杰等[4]对汽车白车身板厚尺寸进行了优化，使其质量减轻了11.4%。……