張大斌，余朝靜，張紀利，羅建欽，韋建玉*，雷　焱

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

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山地烤煙苗期揭膜機機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張大斌1，余朝靜1，張紀利2，羅建欽2，韋建玉2*，雷焱1

(1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

為降低山地烤煙苗期揭膜機機架質(zhì)量，本文通過DesignModeler建立了山地烤煙苗期揭膜機機架的幾何模型，對揭膜機勻速作業(yè)和調(diào)頭兩種工況下的機架進行了應(yīng)力分析，采用多目標遺傳算法對機架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明：機架最大應(yīng)力出現(xiàn)在揭膜機掉頭工況下橫梁方鋼管與立柱連接處，應(yīng)力值為123.89 MPa；優(yōu)化后機架總質(zhì)量為5.9564 kg，比優(yōu)化前減輕了19.84%；優(yōu)化后機架最大應(yīng)力為129.84 MPa，雖比優(yōu)化前略重，但遠小于機架所用材料Q235的最大許用應(yīng)力值235 MPa。

山地烤煙揭膜機；苗期揭膜機；揭膜機機架；有限元分析

國內(nèi)已有不少研究機構(gòu)對揭膜機進行研究，新疆建設(shè)兵團123團修造廠生產(chǎn)了2JMSD-4.5型棉花揭膜機[1]。新疆兵團農(nóng)機推廣站和134團共同研發(fā)了CSM-130B型齒鏈式懸掛收膜機[2]。國外的研究要早于國內(nèi)，在羅伯森和索依爾研制的地膜回收機中，其工作原理也是通過卷膜輥將地膜直接卷起完成收膜[3]。

然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的揭膜機重量均較大，需要大功率動力機構(gòu)進行牽引，不適合山區(qū)復(fù)雜地形作業(yè)。針對山區(qū)地形研究山地?zé)煵菝缙诮夷C將幫助山區(qū)煙農(nóng)快速高效地回收地膜，減輕煙農(nóng)的作業(yè)強度，降低地膜的殘留率，減輕地膜對土壤的污染。揭膜機機架作為各部件的承載者，其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計對于整機的性能好壞至關(guān)重要。面對復(fù)雜的山地作業(yè)工況，機架的強度要求較高，同時山區(qū)地形的不規(guī)則性又對整機質(zhì)量和體積有一定的要求，為了便于機器的轉(zhuǎn)移，機器質(zhì)量不宜過重。

機架結(jié)構(gòu)作為揭膜機的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理關(guān)系到整機的質(zhì)量和性能[4]。因此，對機架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計對山地烤煙揭膜機輕量化至關(guān)重要。本文將對機架方鋼管壁厚和鋼板厚度進行優(yōu)化設(shè)計，在機架最大應(yīng)力處于安全范圍的前提下，求出最輕機架結(jié)構(gòu)。

1　山地揭膜機機架結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析

1.1山地揭膜機機架結(jié)構(gòu)有限元模型建立

對揭膜機機架結(jié)構(gòu)三維建模前，在能保證充分反映實際機架結(jié)構(gòu)的前提下，為節(jié)省計算時間，需對機架機構(gòu)做一定的簡化。主要包括忽略一些非承載件，比如螺栓、螺母等，這些非承載件對結(jié)構(gòu)強度、剛度并沒有多大影響[5]。

ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計必須進行參數(shù)化建模，而由其他大部分通用三維軟件建模導(dǎo)入的模型不能進行參數(shù)化，所以為了利用ANSYS Workbench對機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化最佳選擇是在ANSYS DesignModeler中建立三維模型，并對優(yōu)化對象進行參數(shù)化。

1仿形輪固定板；2松土鏟臂；3底盤方鋼管；4立柱；5橫梁方鋼管；6調(diào)節(jié)臂；7上肩；8切膜刀臂圖1　山地?zé)煵菝缙诮夷C機架模型

機架結(jié)構(gòu)由薄壁方鋼管構(gòu)成，會產(chǎn)生彎曲、拉壓和扭轉(zhuǎn)等變形。因此，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，在對機架結(jié)構(gòu)強度、剛度進行分析時，單元的類型選擇以六面體為主，四面體與六面體結(jié)合的混合單元。采用這種混合單元所得到的網(wǎng)格質(zhì)量較好，對提高計算精度、節(jié)省計算時間均有很大的幫助。同時，混合單元還能很好的解決局部過渡所產(chǎn)生的病態(tài)單元。機架結(jié)構(gòu)方鋼管之間的焊縫采用共用節(jié)點來模擬[5]，所得有限元模型含95430個網(wǎng)格單元和455906個節(jié)點。

1.2機架結(jié)構(gòu)典型工況下應(yīng)力分析

對于機架結(jié)構(gòu)質(zhì)量，只需在ANSYS Workbench中輸入材料密度，程序便會根據(jù)所輸入的參數(shù)進行計算。機架材料為Q235，最大許用應(yīng)力為235 MPa。進行機架結(jié)構(gòu)的有限元分析前，需添加載荷和定義邊界條件。因機架與各零部件多以面接觸為主，所以在各接觸面施加均布載荷，對機架與仿形輪連接處和機架與田園管理機聯(lián)接處施加固定約束。選擇勻速作業(yè)、調(diào)頭兩種典型工況進行模擬計算，得出機架在勻速作業(yè)工況下的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力位置如圖2、圖3所示，機架在調(diào)頭工況下的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力位置如圖4、圖5所示。

圖2　勻速作業(yè)下應(yīng)力分布

圖3　勻速作業(yè)下最大應(yīng)力位置

圖4　調(diào)頭時應(yīng)力分布

圖5　調(diào)頭時最大應(yīng)力位置

綜合兩種分析工況可以看出，機架的應(yīng)力分布不均勻。勻速作業(yè)時，機架底盤方鋼管存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力分布于底盤方鋼管開孔處，最大值為26.368 MPa。機器調(diào)頭工況下機架立柱與底盤方鋼和橫梁聯(lián)接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與橫梁聯(lián)接處，最大值為123.89 MPa。Q235鋼材的屈服應(yīng)力為235 MPa，兩種工況下機架都保持在安全范圍內(nèi)。這只是機架結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，該方案還存在著一定的弊端，為了最大限度地減小機架質(zhì)量，同時減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對整個機架各部分方鋼管壁厚進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2　山地揭膜機機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

優(yōu)化設(shè)計以數(shù)學(xué)中最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計算機為手段，從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計方法。即在所選方案滿足了全部的設(shè)計要求的情況下，同時所需的支出(如質(zhì)量、體積、應(yīng)力應(yīng)變等)最小[6]。ANSYS Workbench平臺提供多種優(yōu)化方法，本文中采用Multi-Objective Genetic Algorithm--多目標遺傳算法中的基于精英策略的多目標非支配排序遺傳算法[6]。它是在多目標遺傳算法的基礎(chǔ)上進行了改進，通過定義擁擠距離估計某個點周圍的解密度取代適應(yīng)值共享來進一步提高計算效率和算法的魯棒性[7]。

設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)總稱為優(yōu)化分析內(nèi)容[8]。在ANSYS Workbench優(yōu)化中，由用戶定義的參數(shù)來指定設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標函數(shù)[9]，其數(shù)學(xué)模型如下：

Vmin≤V≤VmaxV=[V1，V2…，Vn]

Wmin≤W≤WmaxW=[W1，W2…Wn]

minf(V)

式中：v為設(shè)計變量；w為狀態(tài)變量；f(v)為目標函數(shù)。

設(shè)計變量作為自變量，通過改變它的數(shù)值來獲得優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計過程中，為改善機架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和質(zhì)量分布情況，可通過改變機架結(jié)構(gòu)的各部位尺寸來實現(xiàn)，文中選取方鋼管的壁厚為設(shè)計變量。狀態(tài)變量是設(shè)計變量的函數(shù)。本文以減少機架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中為目的，應(yīng)盡可能的減少機架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，因此，以機架結(jié)構(gòu)方鋼管的最大應(yīng)力為狀態(tài)變量[9]。

目標函數(shù)作為設(shè)計變量的函數(shù)，應(yīng)盡量減小其數(shù)值[10]。本文優(yōu)化設(shè)計的目標主要是為了實現(xiàn)機架結(jié)構(gòu)的輕量化，同時能滿足強度、剛度要求。因此，文中把機架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為目標函數(shù)[8]。

2.2機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

由靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析可知，機架在調(diào)頭工況下最大應(yīng)力明顯高于勻速作業(yè)工況，所以本文將在調(diào)頭工況對機架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過在ANSYS Workbench中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)來對機架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，便可得到設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果如表1。

以車架底盤方鋼為例，其厚度在優(yōu)化過程中的變化情況如圖6所示。

表1　設(shè)計變量參數(shù)選擇及優(yōu)化結(jié)果

圖6　底盤方鋼管壁厚變化曲線

從圖6可知機架底盤方鋼壁厚在1.8～2.5 mm之間變化。在優(yōu)化的過程中，ANSYS Workbench不斷的對優(yōu)化參數(shù)進行調(diào)整，并隨著迭代次數(shù)的增加，方鋼管壁厚值變化的范圍會遞減，最終達到一個穩(wěn)定值。通過求解計算得到最優(yōu)結(jié)果為1.8344 mm，迭代次數(shù)為220次。

文中機架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值作為狀態(tài)變量，在機架底盤方鋼與立柱交接處初始最大應(yīng)力為123.89 MPa。在優(yōu)化過程中，所得到的應(yīng)力最大值為130 MPa。在優(yōu)化后，應(yīng)力的最大值值變?yōu)?29.84 MPa。目標函數(shù)為機架總質(zhì)量，初始質(zhì)量為7.4308 kg，優(yōu)化后的質(zhì)量為5.9564 kg，目標函數(shù)的變化情況如圖7所示。

圖7　質(zhì)量變化曲線

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，機架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量減少了19.84%，其效果明顯。雖然在實際的生產(chǎn)中，會受到方鋼管材料規(guī)格的限制和為滿足機架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝要求，很難達到最優(yōu)的理想狀態(tài)，跟理論結(jié)果之間會存在一定的誤差[6]。但這為機架結(jié)構(gòu)輕量化、合理化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和參考。

2.3優(yōu)化設(shè)計前后對比分析

將優(yōu)化結(jié)果中的最佳候選點輸入?yún)?shù)復(fù)制到當前結(jié)構(gòu)中，更新機架有限元模型，分別對兩種工況下機架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模型進行求解計算，對比前后兩種工況下的最大應(yīng)力值，其結(jié)果如表2。

表2　改進前后兩種工況最大應(yīng)力

從表2的比較結(jié)果可以看出，勻速作業(yè)工況下機架結(jié)構(gòu)改進后最大應(yīng)力有所增加，但機架的許用應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力，兩種工況下最大應(yīng)力值變化很小，且都小于材料的最大許用應(yīng)力值235 MPa。由兩種工況下的應(yīng)力云圖可以看出，改進后應(yīng)力分布更加的均勻。

3　結(jié)語

本文基于ANSYS Workbench平臺，對機架結(jié)構(gòu)進行有限元模型的建立，選擇兩種典型工況進行有限元分析，得到機架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，機架

所受最大應(yīng)力為123.89 MPa，且有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用多目標遺優(yōu)化傳算法對機架進行優(yōu)化設(shè)計，得到機架最大應(yīng)力值為129.48 MPa，小于材料的最大許用應(yīng)力值235 MPa，機架質(zhì)量減少19.84%，優(yōu)化效果明顯。現(xiàn)實生產(chǎn)中受材料規(guī)格等因素的制約，實際情形與理論結(jié)果還存在一定的差距，但本文結(jié)論可為機架的設(shè)計提供重要參考。

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(責(zé)任編輯：江龍)

Optimization Design of Mountain Flue-cured Tobacco Seedling Plastic MulchRemoving Machine Chassis' Structure Based on ANSYS Workbench

ZHANG Dabin1，YU Chaojing1，ZHANG Jili2，LUO Jianqin ，WEI Jianyu2*，LEI Yan1

(1. College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2. Guangxi ZhongYan Co.， LTD，Nanning 530001，China)

To reduce the mass of mountain flue-cured tobacco seedling plastic mulch removing machine chassis， the geometric model of mountain flue-cured tobacco seedling plastic mulch removing machine chassis was established by Design Modeler. Then the stress on the chassis in constant speed working condition and turn around condition was analyzed and the maximum stress of the chassis at the connection between steel beam and column in the turn around condition was obtained. The maximum stress was 123.89MPa which was within the safty margin. The multi-objective genetic algorithms optimization method was used by putting the chassis'mass as objective function to optimize the structure of chassis in the turn around condition to obtain the optimal thickness of the key square steel tube's wall. The optimal mass of the chassis was 5.9564kg which was decreased 19.84%. The maximum stress of chassis was 129.84MPa which was less than 235MPa--the maximum allowable stress of Q235 which chassis used.

workbench; multi-objective genetic algorithms; chassis; optimal design

A

1000-5269(2016)03-0031-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.09

2016-03-11

廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項目“山地烤煙地膜、煙桿機械化回收關(guān)鍵技術(shù)及多功能機的研制”(合同編號：1212014015)貴州省科技計劃《貴州山地殘膜撿拾機具研發(fā)及應(yīng)用研究》(黔科合GZ字(2015)3007)

張大斌(1976-)，男，副教授，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)機械、先進裝備及制造等，Email：332397268@qq.com.

韋建玉，Email：jtx_wjy@163.com.

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