吳艷英，吳錦行

(1.貴州理工學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003；2.貴州民族大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550025)

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基于ANSYS Workbench的水稻收割機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析及優(yōu)化*

吳艷英1，吳錦行2

(1.貴州理工學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003；2.貴州民族大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550025)

水稻聯(lián)合收割機(jī)機(jī)架是整機(jī)的關(guān)鍵部件，是其它部件的定位、安裝基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到整機(jī)的使用和制造?；贏NSYS Workbench環(huán)境對(duì)水稻收割機(jī)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，提取其前6階固有頻率及振型，并對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行研究，針對(duì)機(jī)架可能產(chǎn)生共振的固有頻率下，變形嚴(yán)重部位局部?jī)?yōu)化后再進(jìn)行模態(tài)分析。對(duì)比前后分析數(shù)據(jù)，表明改進(jìn)后的機(jī)架振動(dòng)特性優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)更合理。分析結(jié)果將為機(jī)架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

機(jī)架 ANSYS Workbench 模態(tài)分析 優(yōu)化

0 引言

小型水稻聯(lián)合收割機(jī)是用于西南地方山區(qū)水稻收割的機(jī)器，其中機(jī)架是整機(jī)的關(guān)鍵部件,是其它工作部件的安裝定位基礎(chǔ)，在工作過(guò)程中承受相應(yīng)的工作負(fù)載[1]。振動(dòng)是機(jī)器工作時(shí)面臨的問(wèn)題之一，機(jī)器工作時(shí)由于受到電動(dòng)機(jī)的牽引、割臺(tái)的收割作用以及脫粒滾筒的作用等外力及振動(dòng)的影響，可能會(huì)使機(jī)架部件發(fā)生共振或疲勞甚至破壞。因此掌握機(jī)架的振動(dòng)特性對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)十分重要。模態(tài)分析就是確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械部件的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它是動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù)和基礎(chǔ)[2]。

通過(guò)模態(tài)分析還能發(fā)現(xiàn)有害振型和節(jié)點(diǎn)位置，通過(guò)修正系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而得到符合要求的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度[3]。本文在ANSYS Workbench環(huán)境下對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，提取機(jī)架結(jié)構(gòu)的低階固有頻率和振型，分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)機(jī)架可能產(chǎn)生共振的固有頻率下，變形嚴(yán)重部位局部?jī)?yōu)化后再進(jìn)行模態(tài)分析提取分析結(jié)果[4]。對(duì)比優(yōu)化前后分析數(shù)據(jù)并評(píng)估優(yōu)化結(jié)果，為后續(xù)樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

假定為自由振動(dòng)并忽略阻尼時(shí)，其方程為：

當(dāng)發(fā)生諧振動(dòng)，即u=Usin(ωt)時(shí)，方程為：

([K]+ω2[M]){φi}=0

故對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，其固有圓周頻率ωi和振型φi都能從上面矩陣方程式中得到[5]。模態(tài)分析屬于線性分析一類，在分析過(guò)程中只有線性行為是有效的，材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、各向同性的、正交各向異性的、恒定的或與溫度有關(guān)的，非線性性質(zhì)被忽略，在分析中必須指定彈性模量和密度[5-6]。

2 建立收割機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的有限元模型

1-割刀安裝梁；2-割臺(tái)轉(zhuǎn)臂縱梁； 3-割臺(tái)轉(zhuǎn)臂立梁；4、8-脫粒滾筒安裝梁；5-主立梁；6-上主橫梁；7-脫粒滾筒橫梁；9-主縱梁；10-鐵皮外殼圖1 機(jī)架結(jié)構(gòu)三維模型

ANSYS Workbench軟件有多種與其它計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，其中IGES與PARA是普遍常用的兩種格式。本文采用SolidWorks建立的三維模型[7]如圖1所示，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench環(huán)境，對(duì)其劃分網(wǎng)格生成包含節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型，添加材料信息：機(jī)架材料為結(jié)構(gòu)鋼，添加的材料信息為：Structural Steel；密度P=7 800 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比μ=0.3。由于固有頻率和振型僅與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度分布有關(guān)，所以分析時(shí)采用比較均勻的網(wǎng)格，可減少數(shù)值計(jì)算誤差。網(wǎng)格劃分后得到的有限元模型如圖1所示，該有限元模型有49 836個(gè)單元，130 909個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 機(jī)架的模態(tài)分析

圖2 模態(tài)分析的網(wǎng)格劃分模型

選擇分析類型為模態(tài)分析(Modal)，在機(jī)架底部梁上施加固定約束。由模態(tài)分析理論可知，低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響比高階振型大[8]。因此設(shè)置模態(tài)分析的階數(shù)為前6階，選擇Solution-Deformation-Total,點(diǎn)擊Solve進(jìn)行求解。分析完成后，在AWE界面下“Tabular Date”提取前6階固有頻率和振型情況(表1)。

表1 收割機(jī)機(jī)架模態(tài)分析前6階固有頻率與振型

模態(tài)階數(shù)頻率/Hz振型描述136.435整體變形256.075整體變形379.945前端鼓狀變形499.008后端鼓狀變形5110.54前、中部鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉(zhuǎn)6113.59前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉(zhuǎn)

圖3 機(jī)架第1階振型圖 圖4 機(jī)架第2階振型圖

圖5 機(jī)架第3階振型圖 圖6 機(jī)架第4階振型圖

圖7 機(jī)架第5階振型圖 圖8 機(jī)架第6階振型圖

水稻聯(lián)合收割機(jī)的激勵(lì)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)、脫離滾筒和上割刀。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，激振頻率為1 800/60=30 Hz；脫離滾筒轉(zhuǎn)子1 000 r/min，其激振頻率為1 000/60=17 Hz左右；上割刀390 r/min，其激振頻率為390/60=7 Hz左右，針對(duì)以上的外界激振頻率作出共振問(wèn)題的判斷。發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率為30 Hz，與機(jī)架的第1階固有頻率為35.032 Hz非?？拷?，可能會(huì)引起機(jī)架的共振問(wèn)題，因此對(duì)第1階固有頻率下變形較大的部位進(jìn)行局部?jī)?yōu)化提高機(jī)架固有頻率以避免發(fā)生共振。

4 機(jī)架的局部?jī)?yōu)化及模態(tài)分析

對(duì)第1階固有頻率下機(jī)架變形較大的部位進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，主要措施是增加割刀安裝梁厚度。將割刀安裝梁的厚度由原來(lái)的2 mm增加為3 mm，再進(jìn)行模態(tài)分析，提取機(jī)架前6階固有頻率和振型情況如表2所示。

表2 收割機(jī)機(jī)架優(yōu)化后機(jī)架前6階固有頻率與振型

模態(tài)階數(shù)頻率/Hz振型描述155.609中部變形280.61前端鼓狀變形397.751中部鼓狀變形4100.68后端鼓狀變形5112.11前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉(zhuǎn)6125.6前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉(zhuǎn)

機(jī)架優(yōu)化前后模態(tài)分析數(shù)據(jù)對(duì)比如表3、圖14所示。

表3 優(yōu)化前后模態(tài)分析數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比機(jī)架優(yōu)化前后模態(tài)分析的前6階固有頻率可知，割刀安裝梁厚度增加1 mm，機(jī)架各階的固有頻率均得到提高，改進(jìn)后的機(jī)架最小固有頻率為55.609 Hz，避開了可能發(fā)生共振的頻率。優(yōu)化后的機(jī)架振動(dòng)特性優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)更合理，剛度較高，抗振性能較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)建立收割機(jī)的有限元模型并進(jìn)行模態(tài)分析，提取機(jī)架的前6階固有頻率和振型。對(duì)機(jī)架受到的外界激振頻率作出共振問(wèn)題的判斷，可知在第1階固有頻率下，機(jī)架有可能發(fā)生共振問(wèn)題；

2)對(duì)第1階固有頻率下變形較大的部位進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，增加割刀安裝梁厚度再進(jìn)行模態(tài)分析，提取機(jī)架前6階固有頻率和振型，通過(guò)對(duì)比機(jī)架優(yōu)化前后的模態(tài)分析數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的機(jī)架最小固有頻率為55.609 Hz，避開了可能發(fā)生共振的頻率；

3)改進(jìn)后的機(jī)架振動(dòng)特性優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)更合理，剛度較高，抗振性能較好。分析結(jié)果為機(jī)架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 吳艷英，尹健.基于ANSYS Workbench的自走式山地微型水稻聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2014(3)：47-50.

[2] 易日.使用ASNSY6.1進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：北京大學(xué)出版社，2002:305-314.

[3] 海倫.模態(tài)分析理論與實(shí)驗(yàn)[M].白化同,郭繼忠,譯.北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

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[8] 黃天澤.大客車車身[M].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社，1988:50-165.

Modal analysis and optimization of rice harvester frame based on ANSYS Workbench

WU Yanying，WU Jinxing

The frame of rice combine is the key part of the whole machine, whose design quality is related to the use and manufacture of the whole machine. Modal analysis of rice combine frame was done based on ANSYS Workbench. Natural frequency and mode shape of the front six order were researched, aimed at the frame may produce resonance under the natural frequency, severely damaged parts were optimized and modal analyzed. By the comparison of the two analysis results, showed that the vibration characteristic of the frame is better than the original structure, and the improved frame structure is more reasonable. The analysis results provide a theoretical basis for the vibration characteristic analysis, fault diagnosis and optimal design of dynamic characteristics of the frame.

frame, ANSYS Workbench, modal analysis, optimization

S225.3; S126

A

1002-6886(2016)06-0052-04

貴州理工學(xué)院省校聯(lián)合基金 (黔科合LH字[2014]7367號(hào) )資助項(xiàng)目。

吳艷英(1985-)，女，貴州安順市人，講師，碩士研究生。 吳錦行(1983-)，男，福建龍巖人，講師，碩士研究生，研究方向：車輛工程。

2016-05-23