果園割草機懸掛裝置的有限元分析—基于ANSYS Workbench

白璐璐，劉俊峰，李建平

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定　071001)

?

果園割草機懸掛裝置的有限元分析
—基于ANSYS Workbench

白璐璐，劉俊峰，李建平

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定071001)

摘要：利用CAD/CAM軟件Inventor的建模和分析功能，得到了3GC-160型懸掛式果園割草機的質心位置，通過等效質心法對割草機的三維模型進行簡化，將其通過接口導入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，對模型進行靜力學分析和模態(tài)分析，得到懸掛裝置的變形、應力、應變分布云圖及模態(tài)頻率和振型云圖。分析結果表明：懸掛裝置設計合理，可為動力學分析和后續(xù)優(yōu)化設計奠定基礎并提供參考依據(jù)。

關鍵詞：果園；懸掛式割草機；懸掛裝置；ANSYS Workbench；有限元分析

0引言

果園生草制就是在果樹行間或全園長期種植多年生植物作為覆蓋的一種果園土壤管理制度[1]。果園生草可以改善果園環(huán)境小氣候、防止水土流失及提高果品品質和產量，具有良好的生態(tài)效益、社會效益和顯著的經(jīng)濟效益，是果業(yè)生產提質增效的有效途徑[2]。隨著果園種植面積的不斷擴大，控制果樹行間草生長態(tài)勢所需的工作量日益增長，勞動成本增加，實現(xiàn)果園割草的機械化作業(yè)至關重要。為了減輕勞動強度、提高勞動效率，設計了適用于大中型果園的3GC-160型懸掛式果園割草機。

懸掛裝置是懸掛式果園割草機的關鍵部件之一，通過三點懸掛掛接在拖拉機上。懸掛裝置的性能直接影響到懸掛式果園割草機的性能與壽命，其失效方式與材料的力學性能、載荷性質、應力狀態(tài)、構件的形狀和尺寸等因素有關[3]。拖拉機通過懸掛裝置將割草機提離地面，使得運輸和轉彎操作方便與靈活；同時，割草機在實際工作條件下受力復雜，拉桿容易折斷，因此通過ANSYS Workbench軟件對懸掛裝置進行有限元分析，得到懸掛裝置的變形、應力、應變分布云圖及模態(tài)頻率和振型云圖具有現(xiàn)實意義，以便為進一步動力學優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1總體方案設計

1.1懸掛式果園割草機的結構和原理

懸掛式果園割草機由機架、變速箱、懸掛裝置、草體切割裝置及行走裝置等組成，結構如圖1所示。懸掛裝置通過三點懸掛掛接在拖拉機上，動力經(jīng)拖拉機動力輸出軸由萬向節(jié)傳動軸輸出，經(jīng)過一級錐齒輪傳動把動力傳給草體切割裝置；刀軸旋轉帶動刀盤工作，刀盤旋轉時甩刀在離心力的作用下甩出實現(xiàn)割草作業(yè)，當遇到障礙物時，甩刀能夠向后回轉而不致?lián)p壞。在割草機的四周有鎖鏈，以免割下的草飛散。運輸時，割草機通過懸掛裝置由拖拉機液壓機構提升。

1.懸掛裝置　2.變速箱護罩　3.變速箱　4.機罩

1.2主要技術參數(shù)

作業(yè)幅寬/mm：1 600

留茬高度/mm：35～110

拖拉機輸出轉速/r·min-1：540

外形尺寸(長×寬×高)/mm：1 800×1 850×1 125

甩刀數(shù)量/個：2

整機質量/kg：480

配套拖拉機/kW：29.4～36.75

2懸掛裝置的結構與材料

懸掛裝置由支撐桿、拉桿、懸掛前連接件、懸掛后連接件和懸掛固定件組成，如圖2所示。其中，支撐桿與拉桿、支撐桿與懸掛前連接件由螺栓緊固連接，拉桿與懸掛固定件由懸掛后連接件由螺栓緊固連接，懸掛固定件和懸掛前連接件焊接在一起，同時焊接在機罩上。

1.左支撐桿　2.右支撐桿　3.左拉桿　4.右拉桿

懸掛裝置材料選用普通碳素結構鋼Q235A，材料屬性楊氏模量為E=2.1×105N/mm2,密度為7 860kg/m3，泊松比為0.288[4]。

3懸掛裝置的靜力學分析

靜力分析是在不考慮阻尼和慣性的影響下，結構在靜載荷作用時，分析結構變形、約束反力、應力和應變的分布情況等。根據(jù)有限元理論和彈性力學知識，對結構中微小單元進行受力分析，可得到單元的平衡微分方程、幾何方程和物理方程。

平衡微分方程為

(1)

幾何方程為

(2)

物理方程為

(3)

利用微分方程、邊界條件(即載荷和約束)和有限元軟件求得有限個單元點處的變形與受力情況，根據(jù)節(jié)點位移和上述平衡方程可以求得應力應變分布情況[5]。

3.1懸掛裝置前處理

3.1.1模型的建立與導入

ANSYS Workbench中的DesignModeler組件與當前主流的CAD軟件能夠兼容，并可以協(xié)同建模，能實現(xiàn)與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞，這些軟件有Inventor、Pro/E、Solidworks及CATIA等。懸掛裝置為復雜的三維實體模型，因而本文采用更加熟悉的Inventor建模軟件建立三維模型,通過嵌入接口將模型直接導入 ANSYS Workbench中, 并連接結構靜力分析模塊。模型與結構靜力分析鏈接圖如圖3所示。

圖3　模型與結構靜力分析鏈接圖

為了使懸掛裝置受力分析更接近實際工作情況，將懸掛裝置安裝在懸掛式果園割草機上進行有限元分析。然而，割草機的結構復雜，劃分網(wǎng)格困難，難以直接參與有限元分析。因此，采用等效質心法[6]將整機簡化成兩部分，即懸掛裝置和等效平板。首先，對懸掛式果園割草機進行三維實體建模，利用Inventor軟件的分析功能確定割草機的質心位置。然后，由質心位置、整機質量和Q235A的密度核算出等效平板應采用密度比Q235A小的材料進行簡化。這樣等效平板體積足夠大，在保證質心相同的同時，懸掛裝置能夠完全放置在等效平板上，更接近實際情況，故本文選擇鋁材料。最后，建立了與整機具有相同質心和相等質量的一個較規(guī)則的三維模型。簡化后的模型如圖4所示。

圖4　等效裝配圖

3.1.2模型材料的定義

進入材料定義主界面，單擊“Click here to add a new material”選項，分別添加Q235A和Al兩種材料，雙擊左側Toolbox中的Density和Isotropic Elasticity，將這兩個材料屬性添加到新材料屬性中。Q235A設置Density為7.86g/cm3,Young’s Modulus為2.1E+05MPa,Poisson’s Ratio為0.288。Al設置Density為2.7 g/cm3，Young’s Modulus為7.2E+04MPa,Poisson’s Ratio為0.34。

圖5　材料定義主界面

3.1.3網(wǎng)格劃分

進入ANSYS Workbench的Model分析主頁面后，首先進行材料的選擇，材料選好后進行網(wǎng)格劃分。對于三維幾何體，ANSYS Workbench劃分網(wǎng)格的物理環(huán)境有結構分析(Mechanical)、電磁分析(Electromagnetics)、流體分析(CFD)及顯示分析(Explict)。網(wǎng)格劃分方法有自動劃分法、四面體劃分法、六面體主導法、掃掠劃分法及多區(qū)劃分法[5]。本文在結構分析環(huán)境中，采用自動劃分法劃分網(wǎng)格，屬性窗口中設置相關性Relevance為100，關聯(lián)中心Relevance Center為Coarse，平滑度Smoothing為Medium，過渡Transition為Fast。網(wǎng)格劃分后生成293 139個節(jié)點、144 660個單元。網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6　網(wǎng)格劃分模型

3.1.4施加載荷及約束

當割草機剛被提離地面時懸掛裝置受力最大，以懸掛裝置最大受力的狀態(tài)作為靜力分析的工況[6]。在懸掛裝置與拖拉機的三點連接處添加圓柱面約束Cylindrical Support,設置Tangential為Free。在整體坐標系的-X方向添加重力加速度Standard Earth Gravity，值為-9 806.6mm/s2。施加載荷模型如圖7所示。

圖7　施加載荷模型

3.2模型求解及分析結果

對等效模型進行結構靜力學的有限元分析，求解結果Solution包括全位移(Total Deformation)、等效彈性應變(Equivalent Elastic Strain)及等效應力(Equivalent Stress)。

由懸掛裝置的變形云圖(見圖8)可以看出：懸掛裝置最大變形量為0.628 51mm，發(fā)生在機身尾部。

由懸掛裝置的應變云圖(見圖9)可以看出：懸掛裝置應變集中在支撐桿和懸掛前連接件的螺栓孔附近，是最大等效應變發(fā)生處，最大值為0.000 323 5，應變范圍為1.669 5E-9～0.000 323 5。

由懸掛裝置的應力云圖(見圖10)可以看出：懸掛裝置應力集中在支撐桿和懸掛前連接件的螺栓連接處，是最大等效應變發(fā)生處，最大值為49.236MPa，應力范圍為0.000 178 64～49.236MPa[7]。

圖8　變形云圖

圖9　應變云圖

圖10　應力云圖

安全系數(shù)計算為

(4)

式中S—安全系數(shù)；

σs—材料的屈服強度；

σmax—最大等效應力。

有限元分析結果顯示：懸掛裝置在最大應力工作位置的最大變形量0.6285 1mm,變形小不影響裝置的正常使用；裝置所用材料Q235A的最小屈服強度為235MPa，遠遠大于懸掛裝置在最大應力位置下的應力值，故結構強度能夠滿足使用要求。

4懸掛裝置的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定機器部件或設計機構的振動特性(即固有頻率和振型)，是結構動態(tài)設計和設備故障診斷的重要方法[8]。根據(jù)ANSYS Workbench有限元分析軟件的計算結果，提取其前6階的模態(tài)頻率如表1所示，振型如圖11所示。

表1　懸掛裝置前6階固有頻率

圖11　懸掛裝置前6階振型云圖

由表1可以看出：懸掛裝置的固有頻率在55.562～219.28Hz之間變化，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，模態(tài)頻率也增加。由圖11可以看出：第1、2階模態(tài)分別是左拉桿和右拉桿沿X軸方向呈現(xiàn)出振幅不大的彎曲變形，第3、4階模態(tài)分別是左拉桿和右拉桿繞Z軸方向的扭轉變形，第5、6階模態(tài)是左右拉桿沿X軸方向的彎曲變形同時伴隨繞X軸方向的扭轉變形。

國產拖拉機振動系統(tǒng)的垂向固有頻率分別集中在3～4Hz[9]，作為割草機懸掛裝置的振動源之一,比割草機懸掛裝置的固有頻率低，因此拖拉機的震動不會引起與懸掛架的共振。

同時，割草機機體的振動主要是由變速箱帶動的刀盤旋轉引起，割草機刀盤旋轉的額定轉速為2 500r/min,頻率為41.67Hz低于第1階模態(tài)頻率，避開了懸掛裝置的固有頻率，提高了設備使用的安全性。

5結論

1)通過Inventor軟件對果園割草機整機裝置建模，通過接口將模型導入ANSYS Workbench進行結構靜力學有限元分析。等效質心法的應用使得有限元分析的模型得到簡化，有利于對割草機機體進行網(wǎng)格劃分和有限元分析，利用鋁材料金屬板替代割草機機身有利于懸掛裝置的受力與實際工況相似，使得分析結果最大限度達到不失真。

2)通過對懸掛裝置的應力、應變和變形進行有限元分析，驗證了懸掛裝置滿足強度。同時，說明了最大應力、應變和變形發(fā)生的位置，對果園割草機整機裝置的受力情況有了直觀的了解，為裝置設計時的注意事項提供了依據(jù)，為結構的優(yōu)化和后期維護提供了重要數(shù)據(jù)。通過軟件模擬實際工況進行分析，大大縮短了設計時間和有效地驗證了設計是否合理。

3)對懸掛裝置的模態(tài)分析，確定結構發(fā)生共振的頻率段，了解了何種外激勵載荷下會有危險。該研究可為結構系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報、結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]廉國武．果園生草制概述[J]．山西果樹，2000(4)：30-31.

[2]李建平，劉俊峰，李杰銀．果園割草機割茬高度機構運動分析與設計[J]．農機化研究，2013，35(8)：43-45,49.

[3]朱欣欣，王君玲，張祖立．蔬菜移栽機懸掛裝置的靜應力分析[J]．農機化研究，2012，34(5)：58-60,64.

[4]牛長河，王學農，陳發(fā)，等．拔麻機前懸掛裝置的設計與分析[J]．新疆農機化，2007(1)：41-42．

[5]袁越錦，徐英英，張艷華．ANSYS Workbench14.0建模仿真技術及實例詳解[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2014．

[6]李從權．秸稈粉碎還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機的關鍵零部件研究[D]．呼和浩特：新疆農業(yè)大學，2007．

[7]呂小榮，馬榮朝，程新平，等．種繩直播機懸掛裝置的有限元分析[J]．中國農機化，2011(2)：105-107．

[8]文懷興，崔康．基于ANSYS Workbench的高速電主軸靜動態(tài)性能分析[J]．組合機床與自動化加工技術，2012(12)：49-52．

[9]徐剛，朱思洪，聶信天，等．國產拖拉機振動系統(tǒng)固有頻率研究[J]．振動與沖擊，2014(15)：157-161．

The Finite Element Analysis of Orchard Mower Suspension—Based on ANSYS Workbench

Bai Lulu, Liu Junfeng, Li Jianping

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract：The centroid of 3GC-160 suspended orchard mower is obtained by using the CAD / CAM software Inventor which has the capabilities of modeling and analysis. Using the method of equivalent centroid three-dimensional model of the mower is simplified. Three-dimensional model is imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench by interface. ANSYS Workbench make the static analysis and modal analysis for the model. The analysis results show the contours of deformation, stress and strain, modal frequencies and mode shapes. Final results show that the design of suspension is reasonable. And it lays the foundation and provides a reference for the analysis of dynamic and subsequent optimal design.

Key words：orchard; suspended mower; suspension; ANSYS Workbench; finite element analysis

文章編號：1003-188X(2016)04-0039-05

中圖分類號：S224.1+5

文獻標識碼：A

作者簡介：白璐璐(1988-)，女，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)bailulu0310@163.com。通訊作者：劉俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

基金項目：國家蘋果產業(yè)技術體系項目(CARS-28);國家公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203016)

收稿日期：2015-03-25