基于ANSYS的共振裝置三維系統(tǒng)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)

盧利平，李水良

(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450000；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

我國(guó)作為小麥主要產(chǎn)出國(guó)，多年來(lái)眾多學(xué)者堅(jiān)持致力于小麥聯(lián)合收割機(jī)的改進(jìn)與研發(fā)，以不斷提升收割機(jī)開(kāi)發(fā)速度與制造質(zhì)量。從收割機(jī)本體的機(jī)械部件組成角度出發(fā)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)持續(xù)向利用先進(jìn)的CAD/CAM方法過(guò)渡。一方面，有限元分析方法作為一種智能的計(jì)算機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用手段，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)方面均得到不同領(lǐng)域和范圍的體現(xiàn)；另一方面，針對(duì)小麥聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)過(guò)程中整機(jī)不同部位受到振動(dòng)的相互影響，會(huì)大大降低收割機(jī)的使用壽命和作業(yè)效率。為此，筆者依據(jù)收割機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，以ANSYS分析軟件為載體，通過(guò)了解某型號(hào)聯(lián)合收割機(jī)的共振裝置(收割機(jī)外形圖見(jiàn)圖1)，對(duì)其進(jìn)行三維建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期減少收割機(jī)整機(jī)組件間的共振現(xiàn)象。

1 工作原理及特點(diǎn)

小麥聯(lián)合收割機(jī)是一種能夠集收割、脫粒、分離麥稈和清除雜余物功能于一身的農(nóng)業(yè)機(jī)械，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)收割系統(tǒng)將待收割小麥喂入收割裝置經(jīng)脫粒之后通過(guò)輸送裝置排出，同時(shí)麥稈及雜余物從另一通道排出，完成收割。表1列出小麥聯(lián)合收割

機(jī)的核心技術(shù)參數(shù)，滾筒直徑可影響分離效果，過(guò)橋尺寸合理可保證喂入順暢，卸糧筒高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速潔凈卸糧。

圖1 小麥聯(lián)合收割機(jī)外形圖

序號(hào)參數(shù)名稱單位參數(shù)值1喂入量kg/s82割幅mm2560/27503最小離地間隙mm2804糧倉(cāng)容積m22.65最高行走速度km/h266驅(qū)動(dòng)輪距mm19007整機(jī)質(zhì)量kg69008配套動(dòng)力kW1299外形尺寸mm7000×2980×347010作業(yè)小時(shí)生產(chǎn)率hm2/h0.6～1.3

2 核心裝置設(shè)計(jì)

2.1 理論模型

小麥聯(lián)合收割機(jī)在收割過(guò)程中，產(chǎn)生的振動(dòng)以低頻為主，呈現(xiàn)多因素、多部件、多自由度的特點(diǎn)。對(duì)于N自由度的線性系統(tǒng)，其振動(dòng)的理論模型為

[M]{u″}+[C]{u′}+[K]{u}={F(t)}

(1)

式中 [M]—系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；

[C] —系統(tǒng)的阻尼矩陣；

[K] —系統(tǒng)的剛度矩陣；

{u'}—系統(tǒng)的速度向量；

{u"}—系統(tǒng)的加速度向量；

{F(t)} —系統(tǒng)的激振力向量。

[C]在實(shí)際過(guò)程中影響較小，忽略后簡(jiǎn)化模型為

[M{u″}]+[K{u}]={0}

(2)

小麥聯(lián)合收割機(jī)可能引起共振的裝置主要有發(fā)動(dòng)機(jī)本體、傳動(dòng)軸、機(jī)架及割臺(tái)系統(tǒng)等，筆者就割臺(tái)和機(jī)架尺寸結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了激振頻率模型，即

(3)

F2=vn2

(4)

式中F1—發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激振頻率(Hz)；

通過(guò)對(duì)分析靈敏度盤每個(gè)濃度的HBV/HCV/HIV樣本進(jìn)行單人份檢測(cè)，高濃度和中濃度樣本的檢出率應(yīng)均為100%，而低濃度HBV-DNA分析樣本的檢出率為55.56%，重復(fù)檢出率稍低，可見(jiàn)低濃度樣本檢出可能出現(xiàn)假陰性。在實(shí)際工作中，低檢測(cè)限濃度的質(zhì)控品檢測(cè)的穩(wěn)定性也較差[5]，可見(jiàn)在無(wú)償獻(xiàn)血者標(biāo)本檢測(cè)過(guò)程中一定要嚴(yán)格按照SOP操作。而自行配制的室內(nèi)質(zhì)控品隨保存時(shí)間延長(zhǎng)，其病毒載量降低，建議低濃度分析靈敏度盤解凍后最好在72 h內(nèi)使用，或能在48 h內(nèi)上機(jī)檢測(cè)[6]，從而保證標(biāo)本的穩(wěn)定性。

F2—作業(yè)路面產(chǎn)生的激振頻率(Hz)；

n1—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；

n2—空間頻率，路面波長(zhǎng)的倒數(shù)(1/m)；

z—發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)；

v—收割機(jī)的行進(jìn)速度(m/s)；

τ—發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

2.2 三維建模

選取小麥聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)系統(tǒng)和機(jī)架為優(yōu)化對(duì)象，通過(guò)UG軟件進(jìn)行參數(shù)化三維系統(tǒng)建模。圖2為確定的小麥聯(lián)合收割機(jī)共振裝置三維建模流程。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)振動(dòng)基礎(chǔ)理論與構(gòu)件校核強(qiáng)度相關(guān)理論，在最大限度降低機(jī)體質(zhì)量、優(yōu)化構(gòu)件布局的前提下，確定各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之后構(gòu)建裝置的基本體，整體模型形成之后完善倒角等細(xì)節(jié)特征，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)符合聯(lián)合收割機(jī)的工作性能要求。

對(duì)于機(jī)架組成，在原形狀尺寸基礎(chǔ)上移除機(jī)架最底端的3根橫梁與1根豎梁，收割系統(tǒng)與運(yùn)輸裝置連接位置部位加裝1根固定梁，同時(shí)對(duì)于非關(guān)鍵支撐部位減少機(jī)架材料的壁厚。經(jīng)強(qiáng)度校核計(jì)算后，得出如圖3所示設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)架物理模型，后期裝配注重加強(qiáng)內(nèi)部組件連接處的焊接質(zhì)量。

圖2 小麥聯(lián)合收割機(jī)共振裝置三維建模流程圖

圖3 小麥聯(lián)合收割機(jī)機(jī)架三維物理模型

對(duì)于割臺(tái)系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)，應(yīng)保證傳動(dòng)軸平衡前提下進(jìn)行優(yōu)化。作為主要收割與受力部件，以保證尺寸協(xié)調(diào)性為原則，根據(jù)分析并考慮受力平衡，針對(duì)底板和側(cè)板位置，減少其材料厚度0.3mm，主要收割的前部增加厚度0.1mm，割臺(tái)系統(tǒng)整體質(zhì)量減少8.8%。

圖4 小麥聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)三維有限元模型

2.3 模態(tài)分析

三維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建模之后，導(dǎo)入ANSYS軟件，生成三維有限元模型(見(jiàn)圖4)進(jìn)行模態(tài)分析，依照有限元模型模態(tài)分析步驟(見(jiàn)圖5)展開(kāi)。首先進(jìn)行材料屬性設(shè)置，具體如下：

1)選取Q235A作為計(jì)算材質(zhì)；

2)彈性模量E=210GPa；

3)泊松比λ=0.295；

4)密度ρ=7 850kg/m3。

在忽略不影響模擬效果的條件下，選取單元屬性為pshell，定義為CTRIA6，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到單元總數(shù)為312 306，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為298 719；定義邊界條件與設(shè)置求解參數(shù)后，進(jìn)行求解運(yùn)算。

圖5 有限元模型模態(tài)分析步驟

考慮該型號(hào)小麥聯(lián)合收割機(jī)的割臺(tái)系統(tǒng)在正常工況下可能發(fā)生共振的振型通常分布在前幾階振型處，故通過(guò)對(duì)割臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行ANSYS模態(tài)求解分析，得出割臺(tái)系統(tǒng)四階模態(tài)振型如圖6所示。由觀察數(shù)據(jù)及振型分布可知：第1～3階振型的最大變形位置均在割臺(tái)的后上梁與小麥排桿口的右前縱梁連接處出現(xiàn)，第4階振型整體應(yīng)力沒(méi)有嚴(yán)重變形現(xiàn)象，前4階振型均可避開(kāi)外部的振動(dòng)激勵(lì)。

機(jī)架有限元模態(tài)設(shè)置條件依照步驟進(jìn)行(不做贅述)。通過(guò)對(duì)機(jī)架進(jìn)行ANSYS模態(tài)分析可知：優(yōu)化后的機(jī)架第1～3階振型變化不大，第4階振型機(jī)架底部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力彎曲，但影響不大；在可能會(huì)產(chǎn)生最大應(yīng)力點(diǎn)(如橫梁與豎梁的焊接部位等)經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后能夠很好地避開(kāi)與收割機(jī)整機(jī)的共振現(xiàn)象，且相比之前可以降低材料質(zhì)量15.3%。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化及ANSYS分析的準(zhǔn)確性，搭建共振測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)前進(jìn)行測(cè)點(diǎn)合理布置。圖7給出小麥聯(lián)合收割機(jī)機(jī)架振動(dòng)測(cè)試布點(diǎn)分布。布點(diǎn)要求在充分顯示測(cè)試對(duì)象輪廓形狀基礎(chǔ)上，在連接處、可能引起共振部位及受應(yīng)力比較大的部位布點(diǎn)加密，避開(kāi)某些變形量為零的節(jié)點(diǎn)位置，激勵(lì)源點(diǎn)設(shè)置在剛度較大的位置等。

表2為試驗(yàn)過(guò)程中所用關(guān)鍵設(shè)備。模態(tài)試驗(yàn)的基本原理可表述為：通過(guò)力錘對(duì)機(jī)架、割臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生激振力的作用，主要測(cè)試部位安裝加速度傳感器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)經(jīng)其傳遞至試驗(yàn)分析裝置，并在相連接的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。此次試驗(yàn)為兩個(gè)對(duì)象共用一套試驗(yàn)設(shè)備。

圖7 小麥聯(lián)合收割機(jī)機(jī)架振動(dòng)測(cè)試布點(diǎn)

序號(hào)設(shè)備名稱設(shè)備數(shù)量主要功能1加速度傳感器10獲取并傳遞數(shù)據(jù)信息2作用力錘1產(chǎn)生激勵(lì)裝置3數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)1準(zhǔn)確采集信號(hào)4試驗(yàn)分析裝置1分析關(guān)鍵參數(shù)5計(jì)算機(jī)1計(jì)算生成關(guān)鍵參數(shù)

3.2 過(guò)程分析

將計(jì)算得出機(jī)架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行效果對(duì)比，如表3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：ANSYS分析得出的各階模態(tài)振型與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)獲得的振型大體一致，且固有頻率的前4階振型誤差控制在±8%以內(nèi)，得出機(jī)架三維系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

通過(guò)計(jì)算得出割臺(tái)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行效果對(duì)比，如表4所示。由表4可知：前4階振型的固有頻率分布在26～61Hz之間。計(jì)算值與試驗(yàn)值振型一致性較好，兩者誤差控制在±5%以內(nèi)，驗(yàn)證了割臺(tái)系統(tǒng)三維系統(tǒng)建模參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

表4 割臺(tái)系統(tǒng)ANSYS計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

Table 4 Data contrasts of the ANSYS calculation and test of the cutting table system

模態(tài)階數(shù)固有頻率/Hz計(jì)算值試驗(yàn)值誤差/%126.17927.165-3.76236.56337.462-2.46351.26349.6083.22460.31958.2033.51

4 結(jié)論

1)根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論和小麥聯(lián)合收割機(jī)的機(jī)理特征，選取易受共振影響的機(jī)架和割臺(tái)系統(tǒng)展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)架主要通過(guò)增減橫梁與調(diào)整組裝位置，割臺(tái)系統(tǒng)主要根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算減少材質(zhì)厚度并對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行尺寸改進(jìn)。

2)利用UG軟件對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的核心裝置進(jìn)行三維系統(tǒng)建模，并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得出模態(tài)振型，明確應(yīng)力分布。通過(guò)設(shè)定對(duì)象的測(cè)試布點(diǎn)，搭建振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析計(jì)算的前4階振型分布具有高度的一致性，兩者誤差滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

3)此優(yōu)化設(shè)計(jì)使得聯(lián)合收割機(jī)的整機(jī)質(zhì)量下降、結(jié)構(gòu)緊湊且有效避開(kāi)共振區(qū)域，可為延長(zhǎng)機(jī)械壽命提供一定條件，同時(shí)對(duì)相似機(jī)具改進(jìn)與設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。