復(fù)式植保機(jī)車橋組件靜動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 榮， 周金俊， 曹冬林， 柳亞輸

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300； 2.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京 210016； 3.江蘇省泰州櫻田農(nóng)機(jī)制造有限公司，江蘇泰州 225300)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)植保機(jī)械提出了大型化、智能化、精量化、高地隙的技術(shù)要求，支撐底盤的車橋橋殼和立柱的強(qiáng)度直接影響高地隙植保機(jī)的工作性能。在動(dòng)載荷條件下，要求橋殼和立柱組件在具有足夠的強(qiáng)度和剛度的條件下還應(yīng)力求減小自身的質(zhì)量。近年來，農(nóng)機(jī)技術(shù)人員在高地隙、智能精量施藥施肥等方面做了一定的努力和探索，如楊方飛等對(duì)高地隙噴桿噴霧機(jī)底盤進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，基于ANSYS有限元軟件分析底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布并確定結(jié)構(gòu)薄弱部位，根據(jù)噴霧機(jī)工作實(shí)際使用情況對(duì)典型工況下的損傷加權(quán)平均，得到底盤結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用壽命[1]；蔣克庭等用有限元計(jì)算分析，找出橋殼在市場(chǎng)上出現(xiàn)盤面開裂現(xiàn)象的原因，并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)[2]；張立香等依據(jù)可靠性干涉原理建立了驅(qū)動(dòng)橋殼強(qiáng)度和剛度可靠性模型，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的可靠性進(jìn)行仿真分析，為底盤橋殼精益

設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)[3]。經(jīng)用戶使用反饋以及售后維保發(fā)現(xiàn)，植保機(jī)橋殼和立柱組件在實(shí)際使用時(shí)較其他車身結(jié)構(gòu)更易發(fā)生失效，主要是橋殼和立柱的接頭部分發(fā)生開裂。目前的研究主要集中在底盤的可靠性理論分析和汽車車橋的強(qiáng)度分析，而對(duì)于實(shí)際失效部件尚無研究。本研究基于ANSYS Workbench對(duì)車橋殼組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決植保機(jī)橋殼和立柱組件的強(qiáng)度不足造成的失效，同時(shí)為高地隙農(nóng)用機(jī)械設(shè)計(jì)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1 確定橋殼組件結(jié)構(gòu)并建立3D模型

考慮植保機(jī)正常行駛時(shí)前橋受力較復(fù)雜，以前橋和立柱的橋殼組件作為研究對(duì)象，采用UG軟件建模(圖1)。

2 橋殼組件的有限元靜力學(xué)分析

2.1 有限元模型的建立

在仿真模型中，筆者在不影響準(zhǔn)確性并保證精度的前提下，忽略了過渡圓弧、加強(qiáng)筋、起連接和安裝作用的附件以及小的螺栓孔等的一些幾何特征，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[4]。將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ANSYS軟件，劃分成628 884個(gè)單元，1 229 971 節(jié)點(diǎn)。

2.2 材料特性參數(shù)

車橋組件工作環(huán)境復(fù)雜，承載較大，球墨鑄鐵鑄造性能好，性能接近鋼鐵，選擇球墨鑄鐵作為車橋組件材料，表1是其特性參數(shù)。

表1 車橋組件材料特性參數(shù)

2.3 有限元分析計(jì)算

2.3.1 載荷施加及約束添加 車橋的受力情況比較復(fù)雜：車身各部分的自重以及負(fù)載引起車橋彎曲，不平路面對(duì)車輪的影響導(dǎo)致車橋彎曲加劇，汽車轉(zhuǎn)彎、變速時(shí)對(duì)車橋造成側(cè)向和縱向載荷的影響[5]。對(duì)車橋模型有限元分析除了施加載荷外，還須添加約束，當(dāng)車橋處于不同工作狀態(tài)時(shí)，約束條件不同。植保機(jī)車橋組件起支撐底盤機(jī)架的作用，其他零部件的載荷作用在底盤機(jī)架上，主要是藥箱、噴桿噴架、車身、發(fā)動(dòng)機(jī)等的重力。

2.3.2 計(jì)算4種工況下的應(yīng)力及變形 工況1：水平彎曲工況研究的是自走式底盤機(jī)架在滿載條件下抵抗彎曲變形的能力。依據(jù)車身各部分的質(zhì)量分布計(jì)算出橋支撐點(diǎn)受力；在彎曲工況下，車身處于勻速或靜止?fàn)顟B(tài)，約束立柱與輪胎接觸2個(gè)位置的節(jié)點(diǎn)自由度。其應(yīng)力、變形見圖2。

工況2：植保機(jī)在坑洼不平的路面行走易造成車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)，須在橋?qū)嚿碇翁幨┘愚D(zhuǎn)矩；添加約束條件為約束右前輪的3個(gè)平動(dòng)自由度，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；釋放左前輪所有自由度。其應(yīng)力、變形見圖3。

工況3：植保機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)在車橋支撐車身處施加慣性力，慣性力方向沿車行駛方向；添加約束條件為約束前輪的3個(gè)平動(dòng)自由度，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。其應(yīng)力、變形見圖4。

工況4：植保機(jī)緊急拐彎時(shí)在車橋支撐車身處施加慣性力，方向?yàn)殡x心力作用方向。添加約束條件為約束前輪的3個(gè)平動(dòng)自由度，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。其應(yīng)力、變形圖見圖5。

2.3.3 結(jié)果分析 結(jié)合變形、應(yīng)力圖，4種工況的最大變形和最大應(yīng)力如表2所示。典型工況下機(jī)架的強(qiáng)度和剛度滿足材料的屈服極限要求。工況2是最危險(xiǎn)的工況，橋和車身連接處承受較大的應(yīng)力，橋支撐和橋的連接拐承受應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)可做適當(dāng)優(yōu)化。

3 橋殼組件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

橋殼組件在工作時(shí)主要受到2種激勵(lì)， 從而產(chǎn)生較復(fù)雜的振動(dòng)，一是工作路面坑洼不平對(duì)車輪作用的隨機(jī)激振，激振頻率一般低于10 Hz；二是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧激振，該植保機(jī)選用三缸四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速1 200 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率計(jì)算公式：

表2 4種工況下車橋組件的最大變形和最大應(yīng)力

(1)

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，i為發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)，τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，由公式(1)計(jì)算該發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)頻率為30 Hz。

為了使橋殼組件的固有頻率避開各激振頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，對(duì)車橋進(jìn)行模態(tài)分析。利用ANSYS Workbench軟件分析植保機(jī)橋殼組件的模態(tài)，前4階固有頻率近似為0，為剛體模態(tài)，選取前6階非0固有頻率和振型進(jìn)行分析[6-7]，匯總結(jié)果見表3。

4 橋殼組件的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于靜力學(xué)分析，扭轉(zhuǎn)工況是最危險(xiǎn)的工況，橫梁與立柱的拐臂處承受較大的應(yīng)力，為137 MPa，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)基于扭轉(zhuǎn)工況的受力情況，前橋的動(dòng)態(tài)特性主要取決于低階模態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率為30 Hz，故以質(zhì)量盡量小，前6模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率之間的頻率差盡量大為優(yōu)化目標(biāo)。以扭轉(zhuǎn)工況的強(qiáng)度σ≤σmax=240 MPa及剛度δ≤δmax=4 mm為約束條件，以變截面橫梁殼體直徑P1、P2和立柱直徑P3為設(shè)計(jì)變量(圖6)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型如下[8-9]：

(2)

式中：M表示車橋質(zhì)量；fi表示前i階固有頻率，其中i=1,2,…,8；P1表示橫梁殼體外徑1；P2表示橫梁殼體外徑2；P3表示立柱殼體外徑；σmax表示最大應(yīng)力；δmax表示最大變形。

首先，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)所定義的參數(shù)生成15組設(shè)計(jì)點(diǎn)，如表4所示。設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)輸出參數(shù)的靈敏度計(jì)算結(jié)果如圖7所示，再根據(jù)靈敏度分析結(jié)果選擇設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量之間的響應(yīng)曲面[10]，如圖8所示。

表3 橋殼組件前6階固有頻率及振型

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)生成的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)值

由程序優(yōu)選出優(yōu)化結(jié)果，經(jīng)尺寸圓整，取P1=90 mm，P2=77 mm，P3=105 mm重新生成模型更新數(shù)據(jù)，優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比如表5所示。

5 結(jié)論

本研究探討了車橋和立柱組件的強(qiáng)度特性，分析計(jì)算了車橋組件在4種工況下的動(dòng)靜態(tài)特性，得出其薄弱部分和固有頻率；采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化，充分考慮組件質(zhì)量、固有頻率、強(qiáng)度和剛度的關(guān)系對(duì)組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的組件強(qiáng)度、剛度符合要求；組件固有頻率增加，遠(yuǎn)避激振頻率30 Hz；組件質(zhì)量由108.498 kg降低為 82.33 kg，降低了24.1%，立柱直徑和車橋直徑適當(dāng)減小，降低了成本。

表5 優(yōu)化前后具體參數(shù)值對(duì)比