白璐璐，劉俊峰，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

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果園割草機(jī)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(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(jī)的質(zhì)心位置，通過等效質(zhì)心法對(duì)割草機(jī)的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其通過接口導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中，對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得到懸掛裝置的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖及模態(tài)頻率和振型云圖。分析結(jié)果表明：懸掛裝置設(shè)計(jì)合理，可為動(dòng)力學(xué)分析和后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)并提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：果園；懸掛式割草機(jī)；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(zhǎng)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(zhì)和產(chǎn)量，具有良好的生態(tài)效益、社會(huì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，是果業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效的有效途徑[2]。隨著果園種植面積的不斷擴(kuò)大，控制果樹行間草生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)所需的工作量日益增長(zhǎng)，勞動(dòng)成本增加，實(shí)現(xiàn)果園割草的機(jī)械化作業(yè)至關(guān)重要。為了減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，設(shè)計(jì)了適用于大中型果園的3GC-160型懸掛式果園割草機(jī)。

懸掛裝置是懸掛式果園割草機(jī)的關(guān)鍵部件之一，通過三點(diǎn)懸掛掛接在拖拉機(jī)上。懸掛裝置的性能直接影響到懸掛式果園割草機(jī)的性能與壽命，其失效方式與材料的力學(xué)性能、載荷性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)件的形狀和尺寸等因素有關(guān)[3]。拖拉機(jī)通過懸掛裝置將割草機(jī)提離地面，使得運(yùn)輸和轉(zhuǎn)彎操作方便與靈活；同時(shí)，割草機(jī)在實(shí)際工作條件下受力復(fù)雜，拉桿容易折斷，因此通過ANSYS Workbench軟件對(duì)懸掛裝置進(jìn)行有限元分析，得到懸掛裝置的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖及模態(tài)頻率和振型云圖具有現(xiàn)實(shí)意義，以便為進(jìn)一步動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1總體方案設(shè)計(jì)

1.1懸掛式果園割草機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

懸掛式果園割草機(jī)由機(jī)架、變速箱、懸掛裝置、草體切割裝置及行走裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。懸掛裝置通過三點(diǎn)懸掛掛接在拖拉機(jī)上，動(dòng)力經(jīng)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸由萬向節(jié)傳動(dòng)軸輸出，經(jīng)過一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)把動(dòng)力傳給草體切割裝置；刀軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀盤工作，刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)甩刀在離心力的作用下甩出實(shí)現(xiàn)割草作業(yè)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，甩刀能夠向后回轉(zhuǎn)而不致?lián)p壞。在割草機(jī)的四周有鎖鏈，以免割下的草飛散。運(yùn)輸時(shí)，割草機(jī)通過懸掛裝置由拖拉機(jī)液壓機(jī)構(gòu)提升。

1.懸掛裝置　2.變速箱護(hù)罩　3.變速箱　4.機(jī)罩

1.2主要技術(shù)參數(shù)

作業(yè)幅寬/mm：1 600

留茬高度/mm：35～110

拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速/r·min-1：540

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm：1 800×1 850×1 125

甩刀數(shù)量/個(gè)：2

整機(jī)質(zhì)量/kg：480

配套拖拉機(jī)/kW：29.4～36.75

2懸掛裝置的結(jié)構(gòu)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(shí)焊接在機(jī)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(jié)構(gòu)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(xué)分析

靜力分析是在不考慮阻尼和慣性的影響下，結(jié)構(gòu)在靜載荷作用時(shí)，分析結(jié)構(gòu)變形、約束反力、應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況等。根據(jù)有限元理論和彈性力學(xué)知識(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)中微小單元進(jìn)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(gè)單元點(diǎn)處的變形與受力情況，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移和上述平衡方程可以求得應(yīng)力應(yīng)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(dǎo)入

ANSYS Workbench中的DesignModeler組件與當(dāng)前主流的CAD軟件能夠兼容，并可以協(xié)同建模，能實(shí)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(fù)雜的三維實(shí)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(dǎo)入 ANSYS Workbench中, 并連接結(jié)構(gòu)靜力分析模塊。模型與結(jié)構(gòu)靜力分析鏈接圖如圖3所示。

圖3　模型與結(jié)構(gòu)靜力分析鏈接圖

為了使懸掛裝置受力分析更接近實(shí)際工作情況，將懸掛裝置安裝在懸掛式果園割草機(jī)上進(jìn)行有限元分析。然而，割草機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhì)心法[6]將整機(jī)簡(jiǎn)化成兩部分，即懸掛裝置和等效平板。首先，對(duì)懸掛式果園割草機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體建模，利用Inventor軟件的分析功能確定割草機(jī)的質(zhì)心位置。然后，由質(zhì)心位置、整機(jī)質(zhì)量和Q235A的密度核算出等效平板應(yīng)采用密度比Q235A小的材料進(jìn)行簡(jiǎn)化。這樣等效平板體積足夠大，在保證質(zhì)心相同的同時(shí)，懸掛裝置能夠完全放置在等效平板上，更接近實(shí)際情況，故本文選擇鋁材料。最后，建立了與整機(jī)具有相同質(zhì)心和相等質(zhì)量的一個(gè)較規(guī)則的三維模型。簡(jiǎn)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(jìn)入材料定義主界面，單擊“Click here to add a new material”選項(xiàng)，分別添加Q235A和Al兩種材料，雙擊左側(cè)Toolbox中的Density和Isotropic Elasticity，將這兩個(gè)材料屬性添加到新材料屬性中。Q235A設(shè)置Density為7.86g/cm3,Young’s Modulus為2.1E+05MPa,Poisson’s Ratio為0.288。Al設(shè)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(jìn)入ANSYS Workbench的Model分析主頁面后，首先進(jìn)行材料的選擇，材料選好后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于三維幾何體，ANSYS Workbench劃分網(wǎng)格的物理環(huán)境有結(jié)構(gòu)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(dòng)劃分法、四面體劃分法、六面體主導(dǎo)法、掃掠劃分法及多區(qū)劃分法[5]。本文在結(jié)構(gòu)分析環(huán)境中，采用自動(dòng)劃分法劃分網(wǎng)格，屬性窗口中設(shè)置相關(guān)性Relevance為100，關(guān)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(gè)節(jié)點(diǎn)、144 660個(gè)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(dāng)割草機(jī)剛被提離地面時(shí)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(jī)的三點(diǎn)連接處添加圓柱面約束Cylindrical Support,設(shè)置Tangential為Free。在整體坐標(biāo)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(jié)果

對(duì)等效模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的有限元分析，求解結(jié)果Solution包括全位移(Total Deformation)、等效彈性應(yīng)變(Equivalent Elastic Strain)及等效應(yīng)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(jī)身尾部。

由懸掛裝置的應(yīng)變?cè)茍D(見圖9)可以看出：懸掛裝置應(yīng)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(yīng)變發(fā)生處，最大值為0.000 323 5，應(yīng)變范圍為1.669 5E-9～0.000 323 5。

由懸掛裝置的應(yīng)力云圖(見圖10)可以看出：懸掛裝置應(yīng)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(yīng)變發(fā)生處，最大值為49.236MPa，應(yīng)力范圍為0.000 178 64～49.236MPa[7]。

圖8　變形云圖

圖9　應(yīng)變?cè)茍D

圖10　應(yīng)力云圖

安全系數(shù)計(jì)算為

(4)

式中S—安全系數(shù)；

σs—材料的屈服強(qiáng)度；

σmax—最大等效應(yīng)力。

有限元分析結(jié)果顯示：懸掛裝置在最大應(yīng)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(qiáng)度為235MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸掛裝置在最大應(yīng)力位置下的應(yīng)力值，故結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)器部件或設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性(即固有頻率和振型)，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和設(shè)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(jì)算結(jié)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(zhuǎn)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(shí)伴隨繞X軸方向的扭轉(zhuǎn)變形。

國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的垂向固有頻率分別集中在3～4Hz[9]，作為割草機(jī)懸掛裝置的振動(dòng)源之一,比割草機(jī)懸掛裝置的固有頻率低，因此拖拉機(jī)的震動(dòng)不會(huì)引起與懸掛架的共振。

同時(shí)，割草機(jī)機(jī)體的振動(dòng)主要是由變速箱帶動(dòng)的刀盤旋轉(zhuǎn)引起，割草機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)的額定轉(zhuǎn)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(shè)備使用的安全性。

5結(jié)論

1)通過Inventor軟件對(duì)果園割草機(jī)整機(jī)裝置建模，通過接口將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析。等效質(zhì)心法的應(yīng)用使得有限元分析的模型得到簡(jiǎn)化，有利于對(duì)割草機(jī)機(jī)體進(jìn)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(jī)機(jī)身有利于懸掛裝置的受力與實(shí)際工況相似，使得分析結(jié)果最大限度達(dá)到不失真。

2)通過對(duì)懸掛裝置的應(yīng)力、應(yīng)變和變形進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了懸掛裝置滿足強(qiáng)度。同時(shí)，說明了最大應(yīng)力、應(yīng)變和變形發(fā)生的位置，對(duì)果園割草機(jī)整機(jī)裝置的受力情況有了直觀的了解，為裝置設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)提供了依據(jù)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和后期維護(hù)提供了重要數(shù)據(jù)。通過軟件模擬實(shí)際工況進(jìn)行分析，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間和有效地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)是否合理。

3)對(duì)懸掛裝置的模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的頻率段，了解了何種外激勵(lì)載荷下會(huì)有危險(xiǎn)。該研究可為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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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(hào)：1003-188X(2016)04-0039-05

中圖分類號(hào)：S224.1+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：國(guó)家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-28);國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016)

收稿日期：2015-03-25