基于CATIA的大型農(nóng)具機(jī)架有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉宏新，宋微微，廉光赫

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150040；3.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，長(zhǎng)春 130062）

農(nóng)機(jī)具大型化使機(jī)架結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，機(jī)架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等問(wèn)題突顯。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法解決此類(lèi)問(wèn)題難度較大，需要大量簡(jiǎn)化過(guò)程，實(shí)際的細(xì)微結(jié)構(gòu)與聯(lián)接關(guān)系無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)，計(jì)算精度低，不具實(shí)用價(jià)值。復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程也需很長(zhǎng)的計(jì)算周期。因此，利用現(xiàn)代技術(shù)手段解決此類(lèi)問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。本文利用CATIA的有限元工程分析模塊，對(duì)一種新型農(nóng)具機(jī)架，在三維數(shù)字模型上進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)定義其材料、聯(lián)接關(guān)系、聯(lián)接特性及施加載荷等全部的機(jī)構(gòu)與狀態(tài)特征，保證分析結(jié)果的真實(shí)性與實(shí)用性。

1 三維模型

研究對(duì)象為一種新式橫向分段仿形組合懸掛式大型農(nóng)具機(jī)架，如圖1所示。本文以其應(yīng)用于受力情況較為復(fù)雜的播種機(jī)具進(jìn)行分析，總計(jì)24行、行距35 cm的復(fù)式平作播種單元被分成三組，其中10行位于中間主懸牽梁8的中間段上，并根據(jù)地輪的位置形成3-4-3行的布局，另外兩組各7行安裝于左右兩側(cè)的單機(jī)梁7上，形成較為獨(dú)立并可被單獨(dú)懸掛運(yùn)輸?shù)男⌒筒シN機(jī)。主懸牽梁由兩部分結(jié)構(gòu)組成?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)是主懸牽梁10，其中間是帶懸掛點(diǎn)、兩端對(duì)置矩形框架的單根梁，兩側(cè)是用于聯(lián)接單機(jī)的牽引梁以插接的形式與中間框架組合，并通過(guò)螺栓鎖定；輔助結(jié)構(gòu)是主懸牽梁8、水平和垂直的兩組拉筋。若實(shí)際工況中主懸牽梁僅采用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)即單根梁，抗彎能力差，在兩側(cè)力及力矩的作用下易發(fā)生變形。加入輔助結(jié)構(gòu)可提高機(jī)架組合后主懸牽梁的鋼度及穩(wěn)定性，該種結(jié)構(gòu)方案的目的是便于機(jī)具的運(yùn)輸以及組裝的靈活性。主懸牽梁的中間段兼作氣力式排種系統(tǒng)的主氣道及氣壓穩(wěn)定器，其上開(kāi)有間距35 cm的通氣孔。機(jī)架正對(duì)拖拉機(jī)的行走帶處設(shè)置用于傳動(dòng)和限制耕深的雙軸地輪9，雙軸之間設(shè)有同步裝置，其高度由液壓系統(tǒng)控制。左右單機(jī)各通過(guò)兩個(gè)球形鉸接桿與插裝于主梁上的牽引梁聯(lián)接，每組中的兩個(gè)球形鉸接桿、與牽引梁及單機(jī)前梁上的鉸接點(diǎn)中間段構(gòu)成一個(gè)前寬后窄的等腰梯形。球鉸使單機(jī)能夠靈活地相對(duì)主梁上下浮動(dòng)仿形，梯形結(jié)構(gòu)保證單機(jī)被牽引作業(yè)時(shí)的縱向穩(wěn)定性。機(jī)具在整體運(yùn)輸及地頭轉(zhuǎn)彎的提升狀態(tài)時(shí)，左右單機(jī)被鎖定機(jī)構(gòu)6限制位置，與主梁形成相對(duì)固定的整體，而作業(yè)時(shí)則解除限制以保證多級(jí)仿形的實(shí)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由液壓系統(tǒng)控制。

圖1 大型橫向分段仿形組合懸掛式農(nóng)具機(jī)架Fig.1 Combined suspension frame of large agricultural machinery

主懸牽梁由于位置及功能的要求，其結(jié)構(gòu)及受力最為復(fù)雜，對(duì)整機(jī)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性有重要的影響。以下通過(guò)有限元結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證主懸牽梁輔助結(jié)構(gòu)的有效性。

2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

2.1 模型處理與定義材料

材料定義：冷軋鋼方管，壁厚8 mm。材料屬性為抗拉強(qiáng)度375～406 MPa；屈服極限235 MPa；泊松比0.3；彈性模量2.06×105MPa；密度7 860 kg·m-3。

2.2 設(shè)置虛件

實(shí)際工況中，安裝于主懸牽梁上的播種單元、地輪和左右單機(jī)的重心位置不在主懸牽梁上，使用虛擬零件可通過(guò)它的支撐點(diǎn)在一定距離內(nèi)傳遞作用效果。虛件的設(shè)置需要支撐面，在梁周?chē)?.01 mm的凸臺(tái)作為支撐面，如圖2所示。

圖2 支撐凸臺(tái)Fig.2 Support convex platform

2.3 創(chuàng)建聯(lián)接關(guān)系及定義聯(lián)接特性

主懸牽梁屬部裝件，需要建立有限元分析專(zhuān)用的聯(lián)接特性來(lái)明確各零部件之間的聯(lián)接特性，包括相互位置及力的傳遞關(guān)系等，從而保證載荷和應(yīng)力應(yīng)變?cè)诓考g通過(guò)聯(lián)接特性進(jìn)行有效傳遞，與真實(shí)的受力情況保持一致。

2.3.1 創(chuàng)建聯(lián)接關(guān)系

中間主梁與兩側(cè)單體牽引梁的聯(lián)接方式為插接方式，聯(lián)接關(guān)系為面的接觸聯(lián)接。機(jī)架其他部位為方管焊接而成，聯(lián)接關(guān)系為線(xiàn)聯(lián)接。

2.3.2 定義聯(lián)接特性

主梁插接管與單機(jī)牽引梁的聯(lián)接特性定義為剛性接觸聯(lián)接特性，機(jī)架各個(gè)矩形方管之間為焊縫聯(lián)接特性。如圖3，焊點(diǎn)標(biāo)注即為焊縫聯(lián)接特性，交叉線(xiàn)形狀為剛性接觸聯(lián)接特性。

圖3 聯(lián)接特性Fig.3 Connections property

2.4 施加約束、載荷

2.4.1 施加約束

人文主義精神是一種普遍的人類(lèi)自我關(guān)懷，表現(xiàn)為對(duì)人的尊嚴(yán)、價(jià)值、命運(yùn)的維護(hù)、追求和關(guān)切[4]。受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)等因素影響，我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中部分醫(yī)務(wù)人員道德素質(zhì)下降，醫(yī)患關(guān)系日益緊張，對(duì)醫(yī)學(xué)生自身發(fā)展和病人健康造成沖擊，醫(yī)學(xué)的人性光芒日趨黯淡，醫(yī)學(xué)的人文主義精神衰落，同樣也對(duì)整個(gè)社會(huì)的倫理道德產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊。為此，加強(qiáng)醫(yī)學(xué)生人文主義教育成為高等醫(yī)學(xué)院校思想政治教育的主要任務(wù)，具體內(nèi)容及實(shí)施路徑見(jiàn)圖1。

2.4.1.1 最大作業(yè)深度

根據(jù)機(jī)具與拖拉機(jī)的聯(lián)接方式及實(shí)際機(jī)組受力狀態(tài)，主懸牽梁的約束為三個(gè)懸掛點(diǎn)處的鉸接約束和地輪施加的支承約束。

2.4.1.2 懸掛位置機(jī)架整體被抬起，主懸牽梁的約束為三個(gè)懸掛點(diǎn)處的夾緊約束。

2.4.2 施加載荷

2.4.2.1 最大作業(yè)深度

播種機(jī)處于最大作業(yè)深度位置時(shí)，此時(shí)機(jī)架承受的牽引負(fù)荷最大。作業(yè)阻力來(lái)自于開(kāi)溝器、地輪、覆土器及鎮(zhèn)壓輪。依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，在8、11 cm測(cè)深施肥，5 cm播種情況下，單個(gè)雙圓盤(pán)開(kāi)溝器的阻力為160 N，單圓盤(pán)覆土器阻力為120 N；鎮(zhèn)壓輪阻力為50 N，滑靴式開(kāi)溝器阻力為50 N。因此，一個(gè)播種單元的工作阻力為380 N。根據(jù)滾動(dòng)系數(shù)計(jì)算出每側(cè)地輪滾動(dòng)阻力為2 000 N。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，作用在鉸接孔和銷(xiāo)軸上的載荷不是簡(jiǎn)單的均布載荷，也不是集中載荷，這里可利用施加軸承載荷來(lái)模擬等效各鉸支點(diǎn)受力分布情況，計(jì)算結(jié)果精度可以滿(mǎn)足我們?cè)O(shè)計(jì)的需要。載荷分布如圖4所示，a表示播種單元與地輪工作阻力的均布載荷，b表示球鉸接板處的軸承載荷。

2.4.2.2 懸掛位置

由于整機(jī)重量大，幅度寬，在機(jī)架懸掛狀態(tài)運(yùn)輸過(guò)程中，必須要考慮機(jī)架在垂直方向上的受力及變形。懸掛狀態(tài)時(shí)主懸牽梁上的載荷來(lái)自于自重、種肥播種單元、地輪、左右單機(jī)組以及顛簸過(guò)程中的慣性力。以上載荷值由計(jì)算機(jī)根據(jù)三維模型計(jì)算和實(shí)物樣機(jī)部件測(cè)試獲得，其中播種單元的質(zhì)量為50 kg、地輪組為75 kg，兩者重心距機(jī)架上主懸牽梁中心線(xiàn)的距離為66 cm、地輪41 cm，左右單機(jī)質(zhì)量相等，各為600 kg，力分兩個(gè)作用點(diǎn)作用在單機(jī)梁上，作用點(diǎn)距單機(jī)梁中心線(xiàn)的距離為83 cm。種肥箱分為四個(gè)作用點(diǎn)平均作用在整個(gè)主懸牽梁上，每點(diǎn)作用質(zhì)量為60 kg。載荷分布如圖5所示，a中紅色箭頭表示梁的自重，放大圖如b；紅色虛線(xiàn)表示柔性虛件，各載荷作用于虛件支撐點(diǎn)，放大圖如c。以上載荷根據(jù)樣機(jī)實(shí)際位置及著力點(diǎn)施加于主懸牽梁上，安全系數(shù)取值1.5。

圖4 作業(yè)時(shí)載荷分布Fig.4 Distribute of load on working

圖5 懸掛時(shí)載荷分布Fig.5 Distribute of load on hanging

2.5 計(jì)算與分析

2.5.1 應(yīng)力

結(jié)果見(jiàn)圖6。顏色條位置越上面表示應(yīng)力或應(yīng)變的數(shù)值越大（下同）。

機(jī)架在作業(yè)及懸掛運(yùn)輸時(shí)最大應(yīng)力均出現(xiàn)在下懸掛裝置兩側(cè)，其最大應(yīng)力分別為244和316 MPa。

2.5.2 變形

結(jié)果見(jiàn)圖7。最大應(yīng)變均出現(xiàn)在兩側(cè)單體牽引梁的外端部，最大變形量分別為13.4和88.2 mm。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 Nephogram of stress

圖7 變形云圖Fig.7 Nephogram of strain

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

由上述結(jié)果可見(jiàn)，機(jī)架的變形問(wèn)題較突出，經(jīng)增加梁方管的壁厚試算，對(duì)減小變形量的效果不明顯，而結(jié)構(gòu)上的調(diào)整則表現(xiàn)出良好的作用。以不影響梁架功能及不過(guò)大增加鋼材使用量為原則，結(jié)構(gòu)做以下優(yōu)化，即增加輔助結(jié)構(gòu)：在中間主梁后側(cè)加設(shè)一橫梁，形成雙梁結(jié)構(gòu)；在兩側(cè)單體牽引梁前側(cè)和上側(cè)端部，各加設(shè)兩組直徑為24 mm的斜拉鋼筋，水平面及鉛垂面上分別形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖1所示。兩種工況加入輔助結(jié)構(gòu)后的分析過(guò)程與基本結(jié)構(gòu)大致相同。分析前模型簡(jiǎn)化處理，在裝配體中刪除主懸牽梁上的通氣管及對(duì)應(yīng)約束，其他簡(jiǎn)化同2.1節(jié)。

斜拉鋼筋處理用剛度600 MPa（該值由材料決定）柔性彈簧代替，先在中間主懸牽梁左右兩端的對(duì)置矩形框上各加兩個(gè)剛性虛件，剛性虛件支撐點(diǎn)作為單體牽引梁前側(cè)柔性彈簧支撐點(diǎn)，主懸掛裝置處剛性虛件支撐點(diǎn)作為單體牽引梁上側(cè)端部柔性彈簧支撐點(diǎn)。結(jié)果見(jiàn)圖8。

單機(jī)上已設(shè)好的0.01 mm凸臺(tái)作為柔性彈簧的支撐面，插入用戶(hù)軸系確定鋼筋即彈簧的方向，柔性彈簧的設(shè)置如圖9所示。

重新計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10、11。應(yīng)力、應(yīng)變明顯減小。最大作業(yè)深度的最大應(yīng)力由244 MPa減小為60.4 MPa，最大變形量由13.4 mm減小為6.24 mm；懸掛位置的最大應(yīng)力由316 MPa減小為254 MPa，最大變形量由88.2 mm減小為49.9 mm。

圖8 設(shè)置虛件Fig.8 Set up a virtual part

圖9 設(shè)置柔性彈簧Fig.9 Set the flexible string

圖10 優(yōu)化后應(yīng)力云圖Fig.10 Nephogram of stress after optimized

圖11 優(yōu)化后變形云圖Fig.11 Nephogram of strain after optimized

4 結(jié)論

新式橫向分段仿形組合懸掛式大型機(jī)架在118.4～148.0 kW拖拉機(jī)配套大豆平作高速精密播種機(jī)上應(yīng)用，試驗(yàn)效果良好。CATIA的有限元工程分析模塊在解決大型復(fù)雜機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題上方便、快捷、準(zhǔn)確，具有重要實(shí)用價(jià)值，為復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供切實(shí)可行的技術(shù)手段。

[1]劉宏新.一種新式橫向分段仿形組合懸掛式大型精密播種機(jī)機(jī)架：中國(guó)00910071460.2[P].2009-10-07.

[2]趙經(jīng)偉,于文波.大中型農(nóng)機(jī)具技術(shù)狀態(tài)的現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2003(3):2.

[3]謝江波,劉亞青,張鵬飛.有限元方法概述[J].設(shè)計(jì)與研究,2007(5):29-30.

[4]于亞婷,杜平安,王振偉.有限元法的應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2005,22(3):6-10.

[5]張晉紅,吳風(fēng)林.有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].建材技術(shù)與應(yīng)用,2007(4):9-10.

[6]張德珍,史松霞,等.有限元法在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),2006(3):27-28.

[7]李強(qiáng),高耀東,王昌.有限元法及CAE技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中的應(yīng)用[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,22:126-128.

[8]王定標(biāo),向颯,魏新利,等.基于CATIA的零部件應(yīng)力分析研究[J].煤礦機(jī)械,2006,27(7):65-67.

[9]韓長(zhǎng)杰,郭輝，潘俊岷,等.移栽機(jī)懸掛主梁的有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(12):31-33.

[10]楊俊峰,管迪華,杜永昌.轎車(chē)前梁有限元分析[J].汽車(chē)技術(shù).2003(6):14-17.

[11]岳彬彬,姚文超.CATIA應(yīng)力分析在汽車(chē)吊具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].技術(shù)應(yīng)用,2005(7):52-53.

[12]張高峰,李志博.基于CATIA的TBM主機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用,2007,34(7):39-41.

[13]張洪武,等.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:11.

[14]鄧志黨,李科,胡喜仁,等.CATIA V5R15機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:6.

[15]盛選禹,唐守琴.CATIA有限元分析命令詳解與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[16]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.