聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架的有限元分析

康 凱，賈富國*，姜雪松

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

聯(lián)合整地機(jī)的主要承載部件牽引機(jī)架，在實(shí)際工作中有可能出現(xiàn)彈性變形、斷裂和過大的塑性變形等問題[1-3]。機(jī)架的受力情況和幾何形狀比較復(fù)雜，而傳統(tǒng)的機(jī)架設(shè)計主要是應(yīng)用類比法，結(jié)合材料力學(xué)和彈性力學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析[4-8]。這種分析方法只能計算出簡單結(jié)構(gòu)某些部位的應(yīng)力值，而牽引機(jī)架整體的極限位移變化，實(shí)際應(yīng)力值及其分布情況等都是未知的。為了保證牽引機(jī)架在工作過程中安全穩(wěn)定，承載薄弱部位必須滿足剛度和強(qiáng)度的要求。本文利用CATIA分析和仿真模塊對聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度分析，以提高機(jī)架的設(shè)計效率和質(zhì)量，為其進(jìn)一步做優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 機(jī)架的結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)架的結(jié)構(gòu)

聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架是由牽引座、前支臂梁、后支臂梁、橫梁、加強(qiáng)筋、側(cè)板等組成，并且呈對稱分布，如圖1所示。其中前支臂梁、后支臂梁、橫梁、加強(qiáng)筋均為冷彎空心矩形管，其它零件材料均為Q235鋼板，連接方式以焊接為主螺栓連接為輔。

2 機(jī)架有限元模型的建立

2.1 模型的建立與導(dǎo)入

為了高效的進(jìn)行有限元模型分析，本文將在CATIA環(huán)境下建立的實(shí)體模型直接導(dǎo)入CATIA分析和仿真模塊中進(jìn)行分析。這樣避免了模型接口轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)異常狀況，導(dǎo)致分析失敗的可能。為了便于有限元分析，對模型進(jìn)行如下了簡化：①忽略各處過渡圓角，忽略箱體上所有的螺栓孔。②設(shè)各焊接處為理想焊接[9-10]。

圖1 牽引機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定義材料屬性

建立完機(jī)架有限元模型之后，運(yùn)用CATIA提供的材料賦予指令，定義機(jī)架各組件的材料屬性。機(jī)架是由規(guī)格為150×150 mm、150×100 mm、130×130 mm、80×50 mm的矩形管和厚度為14 mm的鋼板焊接而成。Q235B有一定的伸長率、強(qiáng)度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機(jī)械零件的制造。機(jī)架材料屬性見表1。

表1 機(jī)架材料屬性表

2.3 網(wǎng)絡(luò)劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析的重要環(huán)節(jié)。網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到有限元分析結(jié)果的精度。本文利用CATIA分析模塊中的空間四面體單元自動生成功能，將網(wǎng)格劃分為空間四面體單元，并對局部應(yīng)力分布較重要的部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格劃分見表2，模型如圖2所示。

表2 機(jī)架網(wǎng)格劃分表

圖2 機(jī)架網(wǎng)格模型

2.4 創(chuàng)建連接關(guān)系及定義連接特性

2.4.1 創(chuàng)建連接關(guān)系

牽引機(jī)架主要是通過矩形管焊接而成，所以將各梁架間的連接關(guān)系定義為線連接。連接板與側(cè)板是通過螺紋連接裝配在一起的，各段之間的連接關(guān)系為兩個螺紋孔同心及接觸面的重合，通過裝配模塊中的約束可方便而快速的創(chuàng)建面連接關(guān)系。機(jī)架的線面連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 機(jī)架連接關(guān)系

2.4.2 定義連接特性

連接特性的創(chuàng)建以連接關(guān)系為基礎(chǔ)。焊縫連接為牽引機(jī)架的主要連接特性。為了達(dá)到以最小的計算量獲得較高的計算精度，本文將螺紋連接處理為虛擬螺紋連接，該連接特性的特點(diǎn)是不用建立螺栓，可真實(shí)的反應(yīng)螺紋連接的特點(diǎn)。該連接特性以同心約束為基礎(chǔ)連接關(guān)系。機(jī)架連接特性如圖4所示。

注：紅色代表焊縫連接；黑色代表虛擬螺紋連接。

2.5 約束施加約束和載荷

2.5.1 施加約束

有限元工程分析的目的是避免機(jī)架在實(shí)際工作中出現(xiàn)變形、斷裂和過大的塑性變形等現(xiàn)象。在確定約束條件時，既要保證結(jié)構(gòu)不做剛體位移，使方程可以求解，又不至于由于附加不正確的約束得出錯誤的結(jié)果。牽引機(jī)架的約束主要是固定側(cè)板，即將側(cè)板的X、Y、Z、ROTX、ROTY和ROTZ方向固定。

2.5.2 施加載荷

聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架在作業(yè)時承受的主要載荷有：機(jī)架重力G、土壤對機(jī)架的等效支反力N、拖拉機(jī)對機(jī)架的牽引力F、土壤對機(jī)架的等效阻力P等。機(jī)架重力G和等效支反力N是一組平衡力系，經(jīng)過預(yù)備性試驗(yàn)測得，與聯(lián)合整地機(jī)具配套的220 KW拖拉機(jī)在前進(jìn)速度為9 km/h時的牽引力FN=80.55 KN。聯(lián)合整地機(jī)工作時，土壤對機(jī)架的等效阻力P為觸土工作部件深松鏟、圓盤耙片、和合墑圓盤同時作業(yè)時所受的土壤阻力，圓盤耙、深松鏟和合墑盤的牽引阻力分別為

F圓盤耙=kb×a1×l。

式中：kb為圓盤耙的工作比阻，N/cm2；a1為耙深，cm；l為工作幅寬，cm；k深松鏟的工作比阻，N/cm2；a2最大耕深，cm；m1為深松鏟個數(shù)；b為當(dāng)量耕寬，cm；kh為合墑盤的工作比阻，N/cm2；a3為合墑深度，cm。

機(jī)架的牽引力

F=FN-F圓盤耙-F深松鏟-F合墑盤。

計算得出F=20.25 KN。

圖5 作業(yè)時載荷分布

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，作用在牽引板銷軸上的載荷屬于集中載荷，作用點(diǎn)為牽引板的銷孔，分布力的方向?yàn)檠劁N孔表面的法向。作業(yè)時機(jī)架的載荷分布如圖5所示。

3 模型檢查與靜態(tài)分析

3.1 模型檢查

利用CATIA結(jié)構(gòu)分析中的模型檢查對前處理過程進(jìn)行檢查。模型檢查結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明牽引機(jī)架模型網(wǎng)格劃分良好，連接關(guān)系正確。

圖6 模型檢查結(jié)果

3.2 靜態(tài)分析

3.2.1 應(yīng)力分析

本文采用的Von Mises等效應(yīng)力是按第四強(qiáng)度理論確定的

式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，且有σ1>σ2>σ3，當(dāng)σeq>[σ]時材料失效。

繼續(xù)運(yùn)行程序進(jìn)行計算，分析求解和分析后處理得到Mises應(yīng)力云圖，如圖7所示，機(jī)架的位移變形云圖如圖8所示。

圖7 機(jī)架的應(yīng)力云圖

3.2.2 位移分析

圖8 機(jī)架的位移變形云圖

由圖7及圖8可知，由于牽引載荷的作用，牽引座處是應(yīng)力與變形較大的位置，機(jī)架其他部分的應(yīng)力都比較小且分布較為均勻。在牽引銷孔附近及焊縫邊緣的局部位置出現(xiàn)了最大應(yīng)力與最大變形。其最大應(yīng)力為12 MPa，最大變形量為0.5 mm。

4 結(jié) 論

(1)聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度和剛度要求條件。

(2)靜態(tài)分析結(jié)果表明，設(shè)計的聯(lián)合整地機(jī)牽引機(jī)架能夠滿足工作要求，結(jié)構(gòu)還具有較大的優(yōu)化潛力。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊(下冊)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

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

[3]劉向東，屈鈞利.水淬機(jī)架的有限元分析及優(yōu)化研究[J].中國重型裝備，2009(3)：36-38.

[4]朱立鵬.重型自卸車K36車架有限元分析及改進(jìn)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，2011(2)：73-76.

[5]張洪武.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.

[6]廉光赫.大型懸掛式大豆密植平作精密播種機(jī)機(jī)架設(shè)計與優(yōu)化研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[7]Luque P，Mantarar D A.Pneumatic suspensions in semitrailers[J].Heavy Vehicle Systems，2003，10：309-320.

[8]徐 敏，蔡 頌，李立君.堅果采摘臂主臂的有限元力學(xué)分析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，37(3)：12-14.

[9]潘俊萍，馬巖，邢力平.圓桌機(jī)懸臂支撐架的有限元分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6)：73-76.

[10]張思維.基于鎂合金的輪轂式電動汽車整體式車身研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[11]董艷秋，張旭宏.蒙特卡洛有限元法結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].森林工程，2009，25(5)：73-75.