某采棉機(jī)大梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

吾爾科木·冉合木 買買提明·艾尼 伊里哈木·阿不都熱依木 古麗巴哈爾·托乎提

摘要：采棉機(jī)大梁要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受整個(gè)采棉機(jī)的載荷和從車輪傳來的沖擊，同時(shí)要求具有一定的動態(tài)振動特性，以避免在各種旋轉(zhuǎn)零部件轉(zhuǎn)動工作頻率激勵下出現(xiàn)共振。針對采棉機(jī)大梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題，運(yùn)用UG三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，建立了7種不同車架結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，運(yùn)用有限元分析方法對車架實(shí)體模型建立網(wǎng)格模型，并對車架進(jìn)行靜力學(xué)分析和強(qiáng)度評價(jià)，同時(shí)進(jìn)行模態(tài)振動特性分析。數(shù)值分析結(jié)果表明，隨著大梁結(jié)構(gòu)的改變和優(yōu)化，其最大應(yīng)力集中值發(fā)生變化，從386.36 MPa下降到176.88 MPa，總變形量從8.51 mm下降到3.99 mm，強(qiáng)度有明顯提高、變形量明顯變小?？芍Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高了56.3%，總變形量降低了53.8%。模態(tài)振動分析結(jié)果表明，優(yōu)化前的大梁結(jié)構(gòu)前10階固有頻率在7.3～44.9 Hz范圍內(nèi)變化，隨著結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步完善和優(yōu)化，結(jié)構(gòu)6第2、6、8、10階固有頻率分別較優(yōu)化前提高53.2%、31.3%、31.1%、20.1%，結(jié)構(gòu)彎曲振型部位從前橋連接板和主橫梁轉(zhuǎn)移到前橋附橫梁，尾部扭轉(zhuǎn)振型漸漸消失，且經(jīng)過優(yōu)化，成功避開了拖拉機(jī)怠速頻率和重要工作部件采棉頭的工作頻率范圍;通過對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行對比分析并考慮采棉機(jī)實(shí)際工作環(huán)境，最后確定符合實(shí)際加工和工作機(jī)制的邊梁材料為材料橫截面積100 mm×200 mm、厚度7 mm，外部的加強(qiáng)大梁結(jié)構(gòu)，為采棉機(jī)大梁國產(chǎn)化、提高其強(qiáng)度和動力穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī);大梁結(jié)構(gòu);ANSYS;靜態(tài)分析;模態(tài)分析;設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號： S225.91+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0273-05

收稿日期：2018-08-05

基金項(xiàng)目：阿特勒-新疆大學(xué)校企合作重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：62162）。

作者簡介：吾爾科木·冉合木（1995—），男，新疆塔城人，碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化與穩(wěn)定性研究。E-mail：18703019497@163.com。

通信作者：買買提明·艾尼，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法、結(jié)構(gòu)振動與控制、轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性、計(jì)算力學(xué)等研究。E-mail：mgheni@263.net。

我國是世界上最大的產(chǎn)棉國之一，棉花種植業(yè)的發(fā)展對機(jī)采棉的需求逐年增大[1]，實(shí)施機(jī)采棉是提高勞動生產(chǎn)率，降低棉花生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要措施[2-3]。

采棉機(jī)大梁（車架）是采棉機(jī)重要的承載部件，在采棉機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)過程中，車架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接關(guān)系到整機(jī)設(shè)計(jì)成敗。針對車架結(jié)構(gòu)性能問題，國外早期應(yīng)用有限元靜態(tài)分析方法，指導(dǎo)車架設(shè)計(jì)詳細(xì)過程，Hadad等運(yùn)用有限元模態(tài)分析對車架進(jìn)行修正[4-5];在國內(nèi)，姚艷春等利用Lab Windows/CVA交互式C語言編寫程序，并利用測點(diǎn)振動提取方法提取振動信號，驗(yàn)證有限元分析數(shù)據(jù)的正確性[6]。車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，動力穩(wěn)定性的主要影響因素來自于結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與動態(tài)特性。車架結(jié)構(gòu)各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)的驗(yàn)證應(yīng)在車架選用材料所能夠承載的許用范圍之內(nèi)進(jìn)行，且車架結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性須滿足其實(shí)況工作穩(wěn)定性要求，避免采棉機(jī)整機(jī)和部件之間產(chǎn)生共振[7]是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的首要考慮因素。

本研究按照上述問題，并根據(jù)采棉機(jī)工作需求和結(jié)構(gòu)限制對其原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行7次改善設(shè)計(jì)，通過設(shè)置相同的邊界條件和初始條件，建立有限元分析模型并進(jìn)行數(shù)值分析。通過在相同條件下對7種模型進(jìn)行有限元數(shù)值靜態(tài)分析和動態(tài)振動特性分析，并對各結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行全方面對比分析，最終得出滿足工作需求且強(qiáng)度和穩(wěn)定性提高的相對優(yōu)化的某采棉機(jī)大梁結(jié)構(gòu)。

1車架實(shí)體及有限元模型的建立

采棉機(jī)車架是一種牽引式結(jié)構(gòu)，承載采棉頭、風(fēng)機(jī)、棉花箱、油箱和液壓系統(tǒng)等工作部件。車架結(jié)構(gòu)選用典型的邊梁式車架結(jié)構(gòu)[6]，主要由縱梁、橫梁和加強(qiáng)筋等組成，長度約為6 500 mm，寬度約為2 800 mm。車架結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2有限元建模與前處理

本研究通過UG模型導(dǎo)入有限元分析方法，獲取車架結(jié)構(gòu)有效的有限元模型?？紤]到計(jì)算精度問題，在有限元模型建立過程中對車架實(shí)體模型進(jìn)行相應(yīng)簡化，如將結(jié)構(gòu)圓角簡化成直角，忽略大梁上的凸臺和相關(guān)工藝孔，忽略對車架受力情況沒有或者幾乎沒有影響的結(jié)構(gòu)件[8]。車架三維實(shí)體模型如圖2所示。

2.1材料屬性的確定

本研究中的車架長度尺寸以mm為基本單位，因此材料屬性可選取mm、MPa為長度、應(yīng)力單位。本研究中的車架選用16Mn為結(jié)構(gòu)材料，其材料屬性見表1。考慮到本研究中的采棉機(jī)在棉田中工作，路面凹凸不平，工況較惡劣，將其材料安全系數(shù)選擇為1.5[9]，因此許用應(yīng)力為233 MPa。由于16Mn屬于低合金高強(qiáng)度鋼，其牌號為Q345，該材料合金比例少，焊接性能較高，是大多數(shù)機(jī)器車架選用的材料。

2.2車架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵工作之一，網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格類型對計(jì)算結(jié)果的影響較大。之前大多研究選用梁單元為單元模型[10-11]，將車架結(jié)構(gòu)離散為由一組梁單元組成的框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)梁單元界面參數(shù)模擬車架實(shí)際結(jié)構(gòu)，該方法的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，計(jì)算速度較快，但不能滿足計(jì)算精確度的要求。本研究通過ANSYS Workbench對車架結(jié)構(gòu)三維模型用實(shí)體單元進(jìn)行離散，實(shí)體單元是模擬零件特性的最佳網(wǎng)格單元，它從空間角度模擬實(shí)體結(jié)構(gòu)，能夠正確描述材料屬性，但實(shí)體單元在計(jì)算中需要大量的儲存空間與時(shí)間[12]，為保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選用的實(shí)體單元為solid185單元，網(wǎng)格單元類型為六面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm，并將平滑度調(diào)為高、跨度中心角調(diào)為細(xì)化。7種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)見表2。

3靜態(tài)分析

有限元靜態(tài)分析可為采棉機(jī)車架受力分析提供有效的計(jì)算手段，在載荷作用點(diǎn)確定、加速度為零、載荷大小恒定的情況下計(jì)算車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移，有助于在車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)初期全面了解該車架在外力作用下的強(qiáng)度和剛度情況，確定應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律和應(yīng)力集中危險(xiǎn)點(diǎn)[13]。

3.1施加載荷和邊界條件

在有限元分析過程中，載荷條件有可能無法在計(jì)算機(jī)上模擬出來，需要對受力情況進(jìn)行等效簡化，施加載荷應(yīng)達(dá)到試驗(yàn)與實(shí)際相符的等價(jià)形式。圖3為施加載荷和約束示意，其中q1表示采棉箱作用在邊梁上的重力（均布載荷），q2表示風(fēng)機(jī)作用在小縱梁2上的重力（均布載荷），F(xiàn)T是車架固定拉桿對車架前橋拉桿連接口的拉力，F(xiàn)是采棉頭作用在主橫梁上的重力，它們都是對稱外載荷，其大小與作用點(diǎn)數(shù)見表3;本研究結(jié)構(gòu)統(tǒng)一在前橋板和支撐塊旋轉(zhuǎn)軸部位固定約束。

3.2邊界條件

在不同結(jié)構(gòu)以及相同約束、外載荷條件下對車架進(jìn)行數(shù)值靜態(tài)計(jì)算，并提取7種車架優(yōu)化結(jié)構(gòu)的數(shù)值靜態(tài)參數(shù)（表

由表4可知，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)靜態(tài)計(jì)算參數(shù)不斷變化，其中最大變形量為3.99～8.51 mm，最大應(yīng)力值為176.88～404.63 MPa，其中結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2應(yīng)力值已超出材料許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)7變形量與應(yīng)力值最小。

從圖4可以看出，在外載荷作用下，變形部位集中在主橫梁中間部位，結(jié)構(gòu)總變形程度隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化而變小，變形后材料橫截面變大，對變形量影響較大，而在拐角處施加加強(qiáng)筋對車架結(jié)構(gòu)變形量影響不大。

從結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖（圖5）可以看出，在邊梁式車架結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力主要集中在橫梁與邊梁連接兩端部位和支撐塊與附橫梁連接部位，其中縱梁連接在橫梁上部的結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴(yán)重，主要集中在橫梁和縱梁連接的表面處以及支撐塊與橫梁連接處[15]。

4模態(tài)分析

大梁結(jié)構(gòu)在工作頻率附近不能出現(xiàn)固有頻率，也就是說大梁的固有頻率必須避開系統(tǒng)的工作頻率，因此在大梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免共振現(xiàn)象，提高其工作穩(wěn)定性是首要考慮因素。車架為采棉機(jī)主要承載部分，對其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性研究具有重要意義。

本研究在有限元模態(tài)分析中計(jì)算并提取車架結(jié)構(gòu)前10階固有頻率與模態(tài)振型。在模態(tài)分析中，針對車架結(jié)構(gòu)無約束條件的情況，對車架前橋安裝板施加零位移約束，對支撐塊旋轉(zhuǎn)軸施加單項(xiàng)旋轉(zhuǎn)約束。車架結(jié)構(gòu)固有頻率及模態(tài)振型如表5所示。

表5和圖6顯示，7種優(yōu)化結(jié)構(gòu)前10階固有頻率在7～55 Hz之間，車架在各個(gè)工作頻率間都有相應(yīng)的固有頻率;各種模態(tài)振型變形形式局部相同，隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)前5階參數(shù)呈現(xiàn)局部平穩(wěn)狀態(tài)，各階模態(tài)固有頻率值逐步變大;優(yōu)化設(shè)計(jì)對第2階固有頻率影響最大，底部主橫梁式車架結(jié)構(gòu)使第2階模態(tài)頻率從12.797 Hz提高到16.741 Hz，縱梁材料選用100 mm×200 mm 的厚壁方管規(guī)格，并且使用內(nèi)部主橫梁式車架結(jié)構(gòu)，使第2階固有頻率從16.741 Hz提高到19603 Hz。

由圖7可知，不同車架優(yōu)化結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)振型基本相似，車架振動特性具有整體橫向彎曲和整體縱向扭曲等基本振型，附橫梁中間彎曲、前部與尾部扭曲和主橫梁中間橫向彎曲等局部變形，同時(shí)具有扭曲帶彎曲的符合振型。由于車架尾部屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此基本振動特性都包含尾部彎曲和尾部扭曲。

5結(jié)論

本研究通過有限元軟件ANSYS針對原有的采棉機(jī)車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠、穩(wěn)定性不良等問題進(jìn)行7次優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與振動特性之間進(jìn)行對比分析得出以下結(jié)論：

（1）大梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析結(jié)果表明，在邊梁式車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化大梁結(jié)構(gòu)改善了應(yīng)力集中，使應(yīng)力值明顯下降，即從結(jié)構(gòu)1（原結(jié)構(gòu)）到結(jié)構(gòu)6，結(jié)構(gòu)應(yīng)力從386.36 MPa 下降到176.88 MPa，且優(yōu)化之前結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于許用應(yīng)力，不能滿足設(shè)計(jì)要求;隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，靜態(tài)變形部位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，從而防止結(jié)構(gòu)致命損害，其中結(jié)構(gòu)6和結(jié)構(gòu)7的應(yīng)力和變形量較小。

（2）大梁結(jié)構(gòu)動態(tài)振動分析結(jié)果表明，車架結(jié)構(gòu)前10階固有頻率為7～55 Hz，隨著結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其動態(tài)穩(wěn)定性逐漸提高，尤其是選用內(nèi)部主橫梁式車架結(jié)構(gòu)，并且加粗邊梁管壁，其第1、第6、第8、第10階固有頻率明顯提高，且結(jié)構(gòu)6和結(jié)構(gòu)7成功避開了拖拉機(jī)怠速（900 r/min）、怠速頻率（15 Hz）、采棉頭滾筒的公轉(zhuǎn)頻率（2 Hz）、摘錠工作頻率（18 Hz）、刷子工作頻率（28 Hz）以及風(fēng)機(jī)工作頻率（38 Hz）范圍。

（3）通過對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值靜態(tài)和模態(tài)分析，同時(shí)對各優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，考慮其重量、成本、加工工藝和實(shí)際工況等因素，最后確定結(jié)構(gòu)6即邊梁材料為100 mm×200 mm，厚度為7 mm，縱梁在橫梁外部的加強(qiáng)邊梁式結(jié)構(gòu)為較合理的車架結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]閻洪山，薛理，王士國，等. 采棉機(jī)經(jīng)濟(jì)效益分析[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化，2003（3）：18-19.

[2]李小利，孫文磊，龔捷凱，等. 采棉機(jī)摘錠座管傳動系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）：181-183.

[3]張有強(qiáng)，馬少輝，丁旺才. 采棉機(jī)摘錠采摘過程的動力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（13）：54-58.

[4]Lyu N，Lee B，Saitou K. Optimal sub assembly partitioning of space frame structures for in-process dimensional adjust ability and stiffness[J]. Journal of Mechanical Design，2006，128（3）：527-535.

[5]Hadad H，Ramezani A. Finite element model updating of a vehicle chassis frame[C]//Proceedings of the 2004 International Conference on Noise and Vibration Engineering，2004：1817-1831.

[6]姚艷春，杜岳峰，朱忠祥，等. 基于模態(tài)的玉米收獲機(jī)車架振動特性分析與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（19）：46-53.

[7]曹樹謙，張文德，蕭龍翔. 振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析-理論，試驗(yàn)與應(yīng)用[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[8]王想到，胡東方，杜艷平. 玉米收獲機(jī)底盤車架有限元分析及試驗(yàn)[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（2）：213-215，234.

[9]徐灝. 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)和許用應(yīng)力[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，1981（2）：39-45.

[10]王青，徐港. ANSYS梁單元的理論基礎(chǔ)及其選用方法[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，27（4）：336-340.

[11]李英明. ANSYS梁單元與實(shí)體單元分析比較[J]. 中國科技信息，2015（2）：146-147.

[12]杜寶江，陳長松，吳恩啟，等. 基于ANSYS梁單元與實(shí)體單元的組合建模研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（4）：61-63.

[13]俞德津，陳南. 重型半掛車架有限元靜態(tài)分析[J]. 專用汽車，2007（3）：32-35.

[14]譚建國. 使用ANSYS6.0進(jìn)行有限元分析[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2002.

[15]蔣紅旗，王繁生. 起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（3）：20-22.