基于Solidworks的玉米收獲機(jī)割臺框架的疲勞分析

房樂堂　李永奎

摘要：以Solid works軟件為工具建立玉米收獲機(jī)割臺框架的三維模型，以由于路面不平而引起的不規(guī)則振動(dòng)為激勵(lì)，利用Solid works Simulation對玉米收獲機(jī)割臺框架進(jìn)行靜力分析，獲取到關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)度等相關(guān)信息；同時(shí)以靜力分析為基礎(chǔ)，根據(jù)Q235鋼材料的疲勞曲線對割臺框架進(jìn)行疲勞分析，得到損壞圖解等相關(guān)數(shù)據(jù)。其結(jié)果在理論上對于以后進(jìn)行同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、改進(jìn)及安全評估具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：割臺框架；靜力分析；疲勞分析；Solid works

中圖分類號：S225.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0030-03

玉米是世界上栽培歷史悠久的糧食作物之一，其每年的種植面積約為1.3億hm2，總產(chǎn)量約為6億t，占全球糧食總量的35%。近幾年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械所面對的載荷不斷增多、增大。特別是玉米收獲機(jī)所面對的路況不斷復(fù)雜化，迫使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)也不斷下降。割臺作為玉米收獲機(jī)的核心部件，這些因素也使其疲勞時(shí)效事故的可能性不斷增加。對于長期承受交變重載的設(shè)備，除了考慮靜強(qiáng)度和振動(dòng)外，疲勞分析也是掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及使用壽命的重要手段。

1 玉米收獲機(jī)割臺框架三維有限元模型

由Solid works建立玉米收獲機(jī)割臺框架的三維模型（如圖1所示）。割臺框架主要由絞龍裝配體、割臺大臂及割具承重臺組成。割臺經(jīng)割臺大臂上的圓盤狀軸承座與機(jī)身通過螺栓所連接，割具焊接在割臺承重臺上（如圖2所示）。

該割臺框架所采用的材料是Q235鋼，彈性模量E=210×105 MPa，泊松比μ=0.288，屈服強(qiáng)度σ=235 MPa，主要結(jié)構(gòu)通過型材與鋼板焊接而成，該材料常用于大型機(jī)械、橋梁等。

2 靜力分析

Solid works Simulation是嵌入在Solid works里的有限元分析模塊，其主要包括靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是疲勞分析的基礎(chǔ)，通過靜力分析結(jié)果獲取危險(xiǎn)位置及其應(yīng)力特點(diǎn)，從而對這些危險(xiǎn)位置進(jìn)行疲勞校核。

靜力學(xué)分析主要分為7個(gè)步驟：1） 定義算例屬性。由于割臺框架與機(jī)身是通過螺栓鏈接，所以定義摩擦系數(shù)為0.05；靜力學(xué)分析屬于線性分析，所以將大型位移選項(xiàng)擦除；迭代解算器選擇FFE Plus。2） 定義零件材料。定義零件材料Q235鋼，屈服強(qiáng)度σ=235 MPa，應(yīng)用材料到所有。3） 定義連接以及零部件接觸方式。由于收獲機(jī)割臺與玉米收獲機(jī)機(jī)身是通過螺栓連接，所以連接方式選擇螺栓連接；由于機(jī)身固定不動(dòng)，所以將機(jī)身簡化成兩塊掛板，將收獲機(jī)割臺框架通過螺栓掛接在掛板上來模擬割臺與機(jī)身的連接；螺栓選擇GB 5783—86中的M 20×90 mm，預(yù)緊力矩1 000 N·m，摩擦系數(shù)0.2；零部件接觸方式選擇全局接觸中的結(jié)合（無縫隙），同時(shí)勾選不兼容網(wǎng)格。4） 定義夾具。由于機(jī)身固定不動(dòng)，所以將兩個(gè)掛板外面固定幾何體。5） 加載外部載荷。由于割臺框架與機(jī)身是通過螺栓連接，所以路面不平對割臺框架的激勵(lì)是加載在大臂軸上的，選取最差路況時(shí)路面對機(jī)身的激勵(lì)，慣性力為9 996.4 N，方向?yàn)檫x定的方向（垂直于基準(zhǔn)面）向下。6） 劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格之前需要對網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，勾選基于曲率的網(wǎng)格、最大單元大小60 mm、最小單元大小12 mm、周中最小單元數(shù)8個(gè)、單元大小增長比率1.6；同時(shí)對絞龍進(jìn)行網(wǎng)格控制，絞龍網(wǎng)格部分單元大小20 mm、比率1.5，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。7） 運(yùn)行并查看結(jié)果。結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可知：超出屈服極限的應(yīng)力位于螺栓頭和螺母聯(lián)接部位的附近。由于這是假定螺栓接頭的位置，因此這個(gè)部位的應(yīng)力集中屬于應(yīng)力奇異點(diǎn)，是不真實(shí)的，將它忽略。由圖5可知：遠(yuǎn)離應(yīng)力奇異點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限。

3 疲勞分析

物體的疲勞是指在一定載荷下，經(jīng)過特定載荷循環(huán)周期后，物體的疲勞失效。由于玉米收獲機(jī)在田間工作時(shí)會(huì)受到地面對它的振動(dòng)激勵(lì)，從而產(chǎn)生慣性力，而這些慣性力在循環(huán)一定的周期后可能對機(jī)器產(chǎn)生疲勞失效，所以疲勞分析是十分必要的。Solid works Simulation軟件對單個(gè)零件的疲勞分析是基于應(yīng)力—壽命（S—N）的方法進(jìn)行疲勞分析的，其分析過程為：首先通過靜力分析獲取零部件的應(yīng)力信息；然后根據(jù)材料的S—N曲線，計(jì)算結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合材料的疲勞極限圖，通過插值將材料的S—N曲線轉(zhuǎn)化為零件的S—N曲線；最后再由載荷譜確定的應(yīng)力譜，根據(jù)Miner線性損傷累積規(guī)則計(jì)算零件的壽命。其有限元相關(guān)理論表達(dá)如下。

3.2 添加負(fù)載

設(shè)定循環(huán)周期為106，添加疲勞事件—靜力分析，負(fù)載類型LR=-1。

3.3 運(yùn)行并查看結(jié)果

查看損壞圖解，損壞圖解如圖7所示。

由圖7可知：在最大損壞限制為100%的情況下，螺栓位置顯示為紅色，由于使用理論上的螺栓接頭來模擬此連接，因此這里的結(jié)果并不真實(shí)，故忽略此區(qū)域的分析，同時(shí)對結(jié)果進(jìn)行關(guān)鍵位置及危險(xiǎn)位置的探測。選取割具承重板、絞龍軸承座、大臂焊接處、割臺大臂及大臂軸承連接處進(jìn)行探測，探測圖解如圖8所示。

由圖8可知：螺栓下方的位置給出了一個(gè)精確的結(jié)果，接近430%的數(shù)值證明這個(gè)位置受到了嚴(yán)重的疲勞破壞，表明此位置的設(shè)計(jì)或生產(chǎn)需要多加注意；其他位置在106次循環(huán)下不會(huì)產(chǎn)生疲勞失效。

4 結(jié)論

本文以玉米收獲機(jī)割臺框架為對象，通過靜力分析得到危險(xiǎn)位置和應(yīng)力特點(diǎn)，為今后該型號玉米收獲機(jī)框架的改進(jìn)提供了依據(jù)。此外，對玉米收獲機(jī)割臺框架進(jìn)行疲勞分析，得出該機(jī)割臺框架的損壞圖解，并對疲勞失效位置進(jìn)行說明，對于以后該型號收獲機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

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Abstract： In the article， it built up 3D model of maize harvester cutting table frame by using Solid works software， used irregular vibration caused by uneven pavement as drive， did static analysis for cutting table frame of maize harvester by using Solid works Simulation to get stress and strain intensity of key parts and other related information； meanwhile， on the basis of static analysis， to do fatigue analysis for the frame of cutting table according to fatigue curve of Q235 steel material， and got corrupted graphics and other related data. The result theoretically has a certain reference value for the design， inspection， improvement and security evaluation of similar products.

Key words： frame of cutting table； static analysis； fatigue analysis； Solid works