伐木机是一种自动化、高效率、多功能的林地采伐装置。在人工林采伐作业中,伐木机具有传统采伐技术无可比拟的优势。将原有的需要各种机械协同进行的伐木、打枝、造材、截梢、归楞等作业由一台伐木机解决,在节约成本的同时,提升了工作效率。在国内木材需求日益增长的社会背景下,研发符合我国国情的多功能、工作效率高、适应性好的伐木机将成为国内林业机械发展的重要方向。起重臂与伐木头作为伐木机的主要工作装置,是伐木机的核心技术,其设计的合理性,直接决定了伐木机的工作效率及设备性能。本论文的主要研究内容:(1)结构设计:经过对国内外伐木机工作装置的现状以及存在的问题进行研究,设计伐木机工作装置的整体结构,确定其作业过程。并对伐木机工作装置进行运动学理论计算分析。(2)建立虚拟样机:利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件强大的三维实体建模功能和机构运动仿真与分析功能,对伐木机工作装置各零件进行建模,然后再将建好的各零件模型进行装配,建立伐木机工作装置虚拟样机,进行运动仿真。(3)有限元分析:运用ANSYS Workbench 14.0软件对伐木机工作装置的主要承载部件大臂进行有限元分析,得到在静态载荷下,大臂沿X、Y、Z轴方向的应力和位移云图,以及等效应力、总位移和等效应变云图,校核大臂在强度和刚度方面是否符合要求。(4)结构优化:在ANSYS Workbench 14.0软件环境下,利用目标驱动优化方法,以大臂的质量最小为目标函数,其多块挡板的厚度为设计变量,同时满足它的强度和刚度要求为约束条件,对伐木机工作装置大臂进行结构优化。研究结果:(1)设计了一种能够满足我国人工林抚育伐、间伐等要求,适应我国林业现状,且结构简单、合理的伐木机工作装置。利用D-H法建立了伐木机工作装置的运动学方程,并求出了其正解和逆解,为相似的机械研究提供了运动学理论算法。(2)完成了伐木机工作装置从三维模型设计、建模、装配到运动仿真的全过程,并得出了主要点的运动轨迹以及其位置、速度和加速度的仿真数据,同时得出了起重臂的作业范围图、伐木头的运动包络体积以及其他工作参数等,表明能够实现工作所需功能。(3)大臂的最大应力为161.81 MPa,小于许用应力181 MPa,最大位移为6.127 7 mm,最大应变为0.000 785 73,均在允许变形范围内,说明设计的伐木机工作装置大臂同时满足其强度和刚度要求。(4)大臂的质量优化前为1 073.1 kg,优化后为958.93 kg,减轻了10.64%,实现了大臂的轻量化,不仅节约了材料、减少了能量消耗,而且降低了成本,同时提高了产品性能。