基于有限元的農(nóng)用銑刨機(jī)升降裝置結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

王洪珍 ,孟慶睿, 鄭德璽

(1.江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院, 江蘇 徐州 221011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008；3.徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引言

對(duì)于智能農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)社區(qū)農(nóng)田道路的施工和養(yǎng)護(hù)，每隔幾個(gè)生產(chǎn)周期就要清除舊的鋪層，再進(jìn)行新層的鋪設(shè)。由于農(nóng)用銑刨機(jī)具有簡(jiǎn)單易操作、工作效率高、容易控制銑削深度及銑削的舊料能直接回收利用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)社區(qū)中的道路和田埂建設(shè)及保養(yǎng)中[1-3]。

某型農(nóng)用銑刨機(jī)升降裝置具有支撐車身和調(diào)整銑刨深度兩個(gè)作用，主要由升降內(nèi)筒、牽引套、筋板、連接板、加強(qiáng)板及螺栓等零件組成，如圖1所示。升降內(nèi)筒內(nèi)裝有升降油缸缸筒，升降系統(tǒng)的牽引套與車架焊接為一體，與升降油缸缸筒用螺栓連接為一體，升降內(nèi)筒與支重輪總成系統(tǒng)用螺栓通過(guò)法蘭連接為一體，通過(guò)控制升降油缸實(shí)現(xiàn)車架連同銑刨轉(zhuǎn)子的上升和下降，完成不同的切削深度作業(yè)[4]。由于農(nóng)用銑刨機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，為了不影響油缸及其密封件的使用壽命，在傾斜的路面作業(yè)時(shí)，不能依靠升降油缸支撐整車的質(zhì)量，而是依靠升降裝置承受剪切應(yīng)力以延長(zhǎng)升降油缸的使用壽命。因此，對(duì)于升降裝置的設(shè)計(jì)顯得尤為重要[4-5]。

1 升降裝置有限元模型的建立

用UG軟件平臺(tái)建立升降裝置參數(shù)化三維實(shí)體模型，由于模型的倒角、螺紋孔等細(xì)小特征對(duì)整體性能影響不大，在建模中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，減少了分析計(jì)算量[6]。建立的參數(shù)化模型通過(guò)特定的程序接口與ANSYS Workbench軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交換，且在Workbench軟件中對(duì)升降裝置進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。升降裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.螺栓 2.牽引套 3.筋板 4.連接板 5.加強(qiáng)板 6.法蘭 7.輪架 8.升降內(nèi)筒圖1 升降裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of lifting device

1.1 添加材料屬性

在ANSYS Workbench中，定義材料的屬性，如表1所示。

表1 升降裝置零件材料性能Table 1 The material properties of lifting device parts

1.2 定義零件間接觸方式

由于零件間具有裝配關(guān)系，還需要對(duì)零件之間的接觸方式進(jìn)行定義[7]，牽引套與筋板、連接板、加強(qiáng)板以焊接方式連接，升降內(nèi)筒與法蘭也是焊接連接，升降內(nèi)筒與牽引套在正常工作時(shí)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此各零件間接觸面的定義采用默認(rèn)的bonded(粘結(jié))方式。

1.3 升降裝置網(wǎng)格劃分

本文采用默認(rèn)的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為2.e-002m，總計(jì)生成41 612個(gè)節(jié)點(diǎn)，22 876個(gè)單元。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The grid partition diagram

1.4 載荷施加和邊界條件的設(shè)置

某型農(nóng)用銑刨機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，操作質(zhì)量為15 000kg，以其最惡劣狀態(tài)并且充分考慮承受沖擊的情況下作為分析狀態(tài)，即農(nóng)用銑刨機(jī)一側(cè)輪子跨上較大的臺(tái)階，并進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)彎，整機(jī)處于傾斜狀態(tài)，且升降裝置升至最大高度時(shí)進(jìn)行分析，農(nóng)用銑刨機(jī)重心與升降裝置在同一垂直線上[8]，此時(shí)施加在后輪升降裝置上的力FS=G/2=73 500N，與升降裝置傾斜45°，均分在牽引套上端面模擬升降裝置實(shí)際工作時(shí)的受力情況。在法蘭的底面施加固定約束，載荷施加載荷和邊界約束如圖3所示。

圖3 施加載荷和邊界約束圖Fig.3 The load and boundary constraint graph

2 有限元分析結(jié)果

2.1 靜力學(xué)分析

靜力分析是指在忽略慣性和阻尼，且充分約束的情況下，靜態(tài)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)體所發(fā)生的效應(yīng)[9]。設(shè)置完成后，經(jīng)過(guò)對(duì)升降裝置進(jìn)行有限元求解，得到其等效應(yīng)力云圖如圖4(a)所示，等效應(yīng)變?cè)茍D如圖4(b)所示。

最大等效應(yīng)力發(fā)生在升降內(nèi)筒的根部靠近與法蘭連接處，大小為σeq=156.72MPa，安全系數(shù)為2.26；而最大變形發(fā)生在牽引套的上端與機(jī)架連接處，最大值位移為1.738mm，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(a) 等效應(yīng)力云圖 (b) 等效應(yīng)變?cè)茍D圖4 等效應(yīng)力及等效應(yīng)變?cè)茍DFig.4 The equivalent stress and equieffect cloud graph

2.2 升降裝置模態(tài)分析

振動(dòng)模態(tài)參數(shù)表示結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性；模態(tài)分析是為了計(jì)算零部件振動(dòng)特性(包括固有頻率和振型)的一種最基本的動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員分析預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性及振動(dòng)形式，避免共振的發(fā)生[9]。

升降裝置的固有頻率與外載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，通過(guò)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別，判斷升降裝置的優(yōu)劣性，為升降裝置系統(tǒng)的振動(dòng)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及故障診斷等提供依據(jù)。在UG平臺(tái)中建立的升降裝置的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得出前6階模態(tài)振型(見(jiàn)圖5)及固有頻率(見(jiàn)表2)。

(a) 1階振型圖 (b) 2階振型圖

(c) 3階振型圖 (d) 4階振型圖

(e) 5階振型圖 (f) 6階振型圖圖5 模態(tài)分析前6階振型圖Fig.5 The first six order modes of modal analysis表2 前6階固有頻率表Table 2 The first six order natural frequencyTable

模態(tài)階數(shù)固有頻率/Hz模態(tài)階數(shù)固有頻率/Hz1117.192121.193469.274716.325755.246834

由圖5可以看出：1階是沿Y方向的較小振幅彎曲變形，2階是沿X方向的較小振幅彎曲變形，3階是沿Z軸方向的扭轉(zhuǎn)變形，4階、6階是沿X軸方向較大振幅彎曲變形，5階是沿Y軸方向較大振幅彎曲變形，還可以通過(guò)Animation對(duì)后處理結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示和動(dòng)畫輸出。由于某型路面冷農(nóng)用銑刨機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 200r/min，頻率為36.67Hz， 銑刨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為100r/min，頻率為1.67Hz，都低于升降裝置固有頻率，不會(huì)引起共振，安全性能較高。

3 多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用UG軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，設(shè)置3個(gè)尺寸參數(shù)，DS_1(升降內(nèi)筒外徑)、DS_T1(牽引套壁厚)和DS_T2(升降內(nèi)筒壁厚)，并實(shí)現(xiàn)部件間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將其作為Workbench的輸入?yún)?shù)。利用Design Exploration模塊采用Goal Driven Optimization(多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì))方法對(duì)升降裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目分析流程圖如圖6所示。

在ANSYS Workbench中輸入?yún)?shù)上下極限值由系統(tǒng)默認(rèn)，為原始值的上下10%，得到15組設(shè)計(jì)點(diǎn)。將這15組設(shè)計(jì)點(diǎn)作為參數(shù)輸入，得到各輸出值，即模型質(zhì)量、最大等效應(yīng)力及最大總體變形。由于升降裝置1階固有頻率最低，對(duì)系統(tǒng)影響最大，因此把1階固有頻率也設(shè)置為輸出參數(shù)。通過(guò)靈敏度分析得到輸出變量對(duì)輸入變量的敏感程度，如圖7所示。本文設(shè)置模型質(zhì)量最小化及1階固有頻率最大化作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算給出3個(gè)候選設(shè)計(jì)點(diǎn)，如圖8所示。通過(guò)對(duì)目標(biāo)變量的綜合考慮，結(jié)合Workbench的等級(jí)評(píng)價(jià)最終選擇Candidate B組作為最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的輸入、輸出原始設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)列于表3。

圖6 項(xiàng)目分析流程圖Fig.6 The flow chart of project analysis

圖7 輸出變量對(duì)輸入變量的敏感度直方圖Fig.7 The sensitivity histogram of the output variable to the input variable

圖8 候選結(jié)果Fig.8 The candidate resultTable

表3 升降裝置輸入、輸出變量及優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)Table 3 The input and output variables and optimization design objectives of lifting device

優(yōu)化后的升降裝置的質(zhì)量為189.72kg，比優(yōu)化前的203.25kg減少了6.66;1階振動(dòng)固有頻率由117.19Hz提高到121.97Hz，提高了系統(tǒng)的安全性；另外，優(yōu)化后總體變形為1.739 8mm，與優(yōu)化前1.738mm基本沒(méi)變，最大等效應(yīng)力由156.72MPa增加到162.44MPa；45鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，取安全系數(shù)取1.2，許用應(yīng)力[σ]=295.8MPa，大于其最大等效應(yīng)力，完全能夠滿足機(jī)構(gòu)的工作要求。

4 結(jié)論

采用ANSYS Workbench軟件對(duì)某型農(nóng)用銑刨機(jī)升降裝置依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，使用DOE方法得到最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，優(yōu)化后的升降裝置有效減輕了質(zhì)量，提高了固有頻率，較好地滿足機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，達(dá)到降低成本的目的，為此類機(jī)構(gòu)和設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和方法。