基于ANSYS Workbench脫粒滾筒的模態(tài)和瞬態(tài)分析

肖星星，李　驊，齊新丹，王　蒙

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京　211816；南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京　210031)

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基于ANSYS Workbench脫粒滾筒的模態(tài)和瞬態(tài)分析

肖星星1，李驊2，齊新丹1，王蒙2

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京211816；南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京210031)

摘要：針對工作載荷比較復(fù)雜的脫粒滾筒，在工作中可能因設(shè)計不當(dāng)而引發(fā)的共振或諧振等問題，運(yùn)用Pro/E軟件對脫粒滾筒進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，然后對脫粒滾筒進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)分析。分析結(jié)果表明：所設(shè)計的脫粒滾筒是安全與可靠的，不會發(fā)生共振而導(dǎo)致機(jī)器被破壞。通過模態(tài)和瞬態(tài)的分析，可以為后續(xù)的樣機(jī)制造提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脫粒滾筒；ANSYS Workbench；模態(tài)分析；瞬態(tài)分析

0引言

脫粒滾筒是聯(lián)合收割機(jī)中重要的組成部件之一,由脫粒滾筒完成脫粒的過程，從而獲得所需的谷粒。因此，在設(shè)計脫粒滾筒時，不僅要考慮剛度與強(qiáng)度的因素，還要考慮合理的動態(tài)性能[1-2]。相對于傳統(tǒng)的切流式脫粒滾筒，橫流滾筒改變了脫粒方式，減小了對谷物的作用強(qiáng)度，省去分離裝置，簡化了收割機(jī)的結(jié)構(gòu)[3]。

對于釘齒或桿齒焊接在軸上的橫流脫粒滾筒，在脫粒過程中，軸是在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于制造的精度及安裝的誤差，都會導(dǎo)致對中性不好而產(chǎn)生周期性的離心力來干擾脫粒運(yùn)動，而離心力的作用后果就是使軸產(chǎn)生彎曲振動[4]。離心力的破壞力很大，不僅會使谷粒與機(jī)器發(fā)生碰撞，影響脫粒效果還會使桿齒徑向發(fā)生彎曲變形，變形的桿齒會影響擊打力，使谷粒產(chǎn)生一定的破損現(xiàn)象[5-7]。當(dāng)脫粒滾筒工作時，由離心力產(chǎn)生的自激頻率與外在激勵頻率相同時，就會產(chǎn)生共振的現(xiàn)象，而長期產(chǎn)生共振現(xiàn)象，會使?jié)L筒及滾筒軸承座螺栓的扭緊力矩不合格，并造成收割機(jī)損壞[8]。因此，研究脫粒滾筒的動力學(xué)性能為后面樣機(jī)的改進(jìn)提供理論依據(jù)是很有必要的。

本文在已有橫軸流式的脫粒滾筒設(shè)計基礎(chǔ)之上，運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件，對脫粒滾筒進(jìn)行模態(tài)分析，探究脫粒滾筒是否發(fā)生共振或諧振，并假設(shè)脫粒滾筒是在最惡劣的工況下，對脫粒滾筒進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗(yàn)證脫粒滾筒結(jié)構(gòu)是否可靠。

1有限元模型的建立

由于設(shè)計的收割機(jī)主要用于南方地區(qū)，而南方地形以丘陵為主，地勢有高有低，水稻的濕度較大。在選用脫粒裝置時，要選用對潮濕作物適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)輕簡及適通用性能較好的裝置。綜合考慮，選用軸流桿齒式滾筒。其主要由脫粒主軸、脫粒機(jī)制、擋草板、固定支桿和桿齒等零件經(jīng)焊接而成，且主軸中間一段為空心管型結(jié)構(gòu)。橫軸流式脫粒滾筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1　橫軸流式脫粒滾筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1　脫粒滾筒的三維模型

要在ANSYS軟件中進(jìn)行動力學(xué)分析，第1步是先進(jìn)行三維建模。在ANSYS中建立三維模型有兩種方法：一種是直接利用在ANSYS前處理器的實(shí)體建模功能創(chuàng)建三維模型；另一種是運(yùn)用CAE軟件將三維實(shí)體模型畫好，通過接口功能導(dǎo)入ANSYS軟件中。對于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、在ANSYS 中建模比較困難的零件，通常的做法都是利用一些三維軟件做出實(shí)體模型后，再導(dǎo)入到ANSYS 中[9]。由于脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以首先通過Pro/E軟件建立脫粒滾筒的三維模型，保存為SAT格式；然后直接通過Pro/E與ANSYS Workbench的接口導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺中,進(jìn)行滾筒的動力學(xué)分析。脫粒滾筒的三維圖如圖1所示。

圖1　脫粒滾筒的三維圖

為降低對計算機(jī)硬件的配置要求，減少計算量和求解時間，可以適當(dāng)對脫粒滾筒的部分工藝結(jié)構(gòu)(如一些圓角、倒角等)進(jìn)行簡化，并不會影響到計算結(jié)果精度。

1.2　材料的特性

本文中的開式橫軸流式脫粒滾筒的材料為45鋼，材料的屬性表如表2所示。

表2　材料的屬性

1.3　網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到計算的結(jié)果和分析的準(zhǔn)確性[10]。網(wǎng)格劃分的步驟主要包括：①定義單元屬性；②定義網(wǎng)格密度控制；③網(wǎng)格劃分。在本次分析中，選擇單元類型為Solid20node186，采用智能劃分網(wǎng)格。

2模態(tài)分析

2.1　模態(tài)分析的過程

通過模態(tài)分析，可以確定脫粒滾筒的振動參數(shù)(固有頻率和振型)，為瞬態(tài)動力學(xué)仿真奠定基礎(chǔ)。模態(tài)分析的好處在于可以在設(shè)計的早期階段求出機(jī)械系統(tǒng)的自振頻率，使產(chǎn)品設(shè)計避免共振或以特定的頻率進(jìn)行的諧振。如果脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)中存在阻尼，則系統(tǒng)將變成阻尼模態(tài)分析，其固有頻率將變得復(fù)雜。故忽略較小的阻尼系數(shù)，其振動角頻率和振型可以通過下列公式計算，即

(1)

分析時，為了減少計算量而不影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，擬對滾筒主軸采用一端固定、另一端游動的支撐方式。所以，在對脫離滾筒進(jìn)行模態(tài)分析時，既限制滾筒主軸的一端軸頸軸向位移又限制其徑向位移，而另一端軸頸只限制其徑向位移[11]。然后，對脫粒滾筒施加不同的載荷，對其變形部位進(jìn)行分析。

2.2　模態(tài)分析的結(jié)果

通過公式(1)，提取前10階的固有頻率和部分振型，如表3和圖2～圖7所示。

表3　前10階固有頻率、最大載荷及振型

圖2　第1階振型圖

圖3　第2階振型圖

圖4　第3階振型圖

圖5　第4階振型圖

圖6　第8階振型圖

圖7　第10階振型圖

前10階振型中，固有頻率在70～339Hz之間，并且隨著振型階次不斷增加，固有頻率也不斷增加。其中，4階、5階和6階的固有頻率接近,8階和9階的固有頻率也接近，表現(xiàn)出的振型也較為相似。

前10階振型以扭轉(zhuǎn)、彎曲、伸縮、擺動為主。脫粒滾筒所受的最大載荷是14.20MPa，最小載荷是5.84MPa。隨著固有頻率的增加，脫粒滾筒上的最大載荷不是逐漸遞增或者遞減，而是先從1階到4階逐漸遞減至最小，再逐漸增加。由第1階振型圖可知：在桿齒頂端部位發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，長時間的工作易造成桿齒疲勞破壞；由第2階振型圖可知：在支撐桿中間部分發(fā)生彎曲振動；由第3階振型圖可知：在支撐桿中間部分發(fā)生向伸縮變形；由于第4階、5階和6階振型圖可知：在支撐桿的彎曲兼軸向擺動，最大變形部位是在脫粒滾筒的兩端幅板處；由第7階振型圖可知：在中間支撐板附近的桿齒處發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動；由第8階和第9階振型圖可知：支撐桿的彎曲與兩端幅板及中間支撐板的扭曲綜合振動；由第10階振型圖可知：除了主軸中間部分發(fā)生彎曲變形之外，其他部分均沒有受力。

脫粒滾筒的設(shè)計轉(zhuǎn)速為870r/min，而由滾筒的偏心質(zhì)量的離心力作用所引起的激勵頻率為14.5Hz，遠(yuǎn)小于1階模態(tài)下的固有頻率70.53Hz。即使由轉(zhuǎn)速為2 300r/min的四沖程發(fā)動機(jī)所引起的外在周期性激勵的頻率也只為38.3Hz，可以安全地避開脫離滾筒的各階模態(tài)固有頻率。因此，所設(shè)計的脫粒滾筒是安全的，不會發(fā)生共振而導(dǎo)致機(jī)器被破壞。

3瞬態(tài)分析

3.1　瞬態(tài)過程的分析

為減少計算機(jī)求解時間，將脫粒滾筒主軸的兩個支撐部分進(jìn)行簡化，用兩個支座代替軸承支撐。在Pro/E中裝配好的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中后，默認(rèn)模型材料為結(jié)構(gòu)鋼，將滾筒主軸與兩個支座的接觸及兩支座與兩個輪轂的接觸設(shè)置為無摩擦約束，其他接觸均保留默認(rèn)的綁定狀態(tài)。另外，對兩支座的底面選擇【Body-Ground】下的Fixed進(jìn)行約束，并添加對滾筒主軸的軸向位移約束。

在樹形窗【Transient】下開啟重力，重力方向設(shè)為Z軸方向。設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為91 rad/s，并對每個桿齒頂端向后彎曲一段上施加與圓周速度方向相反的周向載荷，并對滾筒主軸右端施加與滾筒轉(zhuǎn)速方向相同的驅(qū)動力矩158.6N·m，對左端主軸施加與轉(zhuǎn)速方向相反的力矩為32.4N·m。設(shè)置求解步數(shù)為1，求解時間步長為1s，初始求解子步為0.01s，最小子步為0.005s，最大求解子步為0.02s。

設(shè)置求解項(xiàng)：在樹形窗【Solution】下加載求解項(xiàng)目Total Deformation、Equivalent Elastic Strain、Equivalent Stress，然后點(diǎn)擊Solve進(jìn)行求解。

3.2　瞬態(tài)分析的結(jié)果

由以上分析過程，最終得到脫粒滾筒的變形及應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖8所示。

圖8　脫粒滾筒的變形及應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

由圖8可知：脫粒滾筒的最大累積變形量隨載荷增大而增大，在1s時達(dá)到最大值12.733mm；最大等效應(yīng)變量在1.066 3×10-3～1.336 4×10-3mm范圍內(nèi),應(yīng)變量波動原因可能是由于支座孔和主軸軸頸的建模精度不足所導(dǎo)致；最大等效應(yīng)力在0～0.946 25s內(nèi)呈下降趨勢，最小值為209.33MPa，在0.946 25～1.000s內(nèi)急劇上升，最大值為228.35MPa。

結(jié)果表明：加載過程中滾筒的最大等效應(yīng)力值小于零件材料的許用拉壓應(yīng)力值250MPa。由于該加載過程是模擬脫粒滾筒在最惡劣的工況下的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，實(shí)際工作中該工況出現(xiàn)的概率很低，故可以確定滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。

4結(jié)論

1)利用Pro/E軟件建立脫粒滾筒的三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，初步確定了其前10階固有頻率和振型，分析了脫粒滾筒的變形部分。

2)對脫粒滾筒進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明：前10階固有頻率的振型中，第3階振型變形最厲害，會發(fā)生軸向伸縮變形，導(dǎo)致脫粒滾筒變長或者縮短，大大影響脫粒的效果，甚至影響機(jī)器的質(zhì)量，但所設(shè)計的脫粒滾的筒并沒有達(dá)到此階段，故沒有影響。

3)對脫粒滾筒進(jìn)行了瞬態(tài)分析，通過對脫粒滾筒的應(yīng)力應(yīng)變以及最大變形量分析表明：隨著時間的增加，脫粒滾筒出現(xiàn)持續(xù)的變形。應(yīng)變曲線先減小、后快速增加，應(yīng)力曲線也先減小、后快速增加，但并沒有影響到脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4)通過模態(tài)分析和瞬態(tài)分析，驗(yàn)證了設(shè)計的脫粒滾筒合理性，為后續(xù)的樣機(jī)制造提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)帥，曹京生.基于ANSYS的滾筒軸優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2014,43(1)：42-45.

[2]鄒景超，劉建秀，寧向可.基于ANSYS的雙圓弧齒輪靜動力學(xué)分析[J].研究與開發(fā)，2009(12)：62-71.

[3]王顯仁，師清翔，倪長安，等.軸流脫粒滾筒裝置應(yīng)用現(xiàn)狀與分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2009(15)：73-75.

[4]鄭磊，尹健，紀(jì)斌，等.基于ANSYS的脫粒滾筒模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(4):48-51.

[5]李洪昌，李耀明，徐立章.聯(lián)合收割機(jī)脫粒分離裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2008(1):223-228.

[6]雷婷.玉米籽粒收獲機(jī)常見故障的分析與排除[J].農(nóng)民致富之友，2015(5):113.

[7]謝方平，羅錫文，盧向陽,等.柔性桿齒滾筒脫粒機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009,25(8)：110-114.

[8]謝子平.脫粒機(jī)事故原因分析與安全措施[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2015(1)：38.

[9]呂中界，李屹，尹健，等.閉式脫粒滾筒的靜動態(tài)性能分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015,37(4):44-47.

[10]邢靜中，李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn):學(xué)術(shù)版，2006(9):116-118.

[11]胡志清.微型水稻收割機(jī)設(shè)計與關(guān)鍵部件研究[D].長沙:中南林業(yè)科技大學(xué)，2013.

Modal and Transient Analysis of Threshing Cylinder Based on ANSYS Workbench

Xiao Xingxing1， Li Hua2， Qi Xindan1， Wang Meng2

( 1.College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology, Nanjing 211816，China; 2.College of Engineer, Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031，China)

Abstract：According to the fact that working load of threshing cylinder is complex and the inappropriate design may cause resonance problem in the working，a three-dimensional modeling of threshing cyclinder is created by Pro/Engineer software, and then is introduced into finite element analysis software Ansys Workbench to modal analysis and Transient analysis. The analysis shows the design of threshing cylinder is safe and reliable, and does not happen resonance what caused by the destroy of machine.Through the analysis of modal and transient, it can provide theoretical basis for the future design and improvement.

Key words：threshing cylinder; ANSYS workbench; modal analysis; transient analysis

中圖分類號：S225；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0046-05

作者簡介：肖星星(1992-)，女，南京人，碩士研究生，(E-mail)15189807379@163.com。通訊作者：齊新丹(1971-)，女，山東德州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)1710863381@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305182); 江蘇省農(nóng)機(jī)基金項(xiàng)目(gxy14001)

收稿日期：2015-08-27