基于ansys workbench的溫室電動微耕機履帶底盤模態(tài)分析

林 穎 陳 騫 魏國俊 王鴻翔 張海軍

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031；2.江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，江蘇 南京 210017；3.江蘇電子信息職業(yè)學院，江蘇 淮安 214153)

0 引言

溫室內(nèi)的旋耕松土作業(yè)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)工作，但由于大棚內(nèi)地形復雜、面積小，田地傾向于脆弱化、零散化，在空間維度上受限制等問題導致平原地區(qū)常用的大型農(nóng)用機械不能進入溫室內(nèi)進行作業(yè)。微耕機作為一種適用于設(shè)施園藝大棚的微型農(nóng)業(yè)機械，已開始被國內(nèi)外研究人員關(guān)注和研究。

底盤車架是整個微耕機的基本承載部件，其強度、剛度及動力特性等都直接影響著整機的性能和使用壽命；設(shè)施園藝溫室大棚內(nèi)存在溝壑、田壟等崎嶇路面，微耕機需要具備通過這些路面的能力，同時保持較高的穩(wěn)定性。當機具獲得的激勵頻率作用頻率在機架本身固有頻率附近時，底盤會產(chǎn)生不合理振動，出現(xiàn)低頻共振現(xiàn)象，影響微耕機作業(yè)可靠性。這就需要對微耕機底盤進行的動態(tài)性能分析，以獲得合理的履帶底盤結(jié)構(gòu)[1-2]。

而現(xiàn)有對微耕機的研究大多數(shù)停留在靜力學分析的層面上，對其進行動力學分析研究的仍然較少。因此，本文基于ansys workbench軟件，針對南京農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的微耕機履帶底盤，進行模態(tài)分析，找出其前20階模態(tài)的固有頻率和振型，使得實際工況下盡量避開低階頻率共振區(qū)域，為后續(xù)研究、實驗提供可靠的理論依據(jù)[3]。

1 模態(tài)分析基本理論

模態(tài)分析一般用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型被稱之為模態(tài)，固有頻率、振型、阻尼被稱之為模態(tài)參數(shù)，任意一階模態(tài)都有與其相對應的特定的變形模式，這種變形模式被稱為模態(tài)振型。模態(tài)分析過程是計算底盤的多階固有頻率及對應振型的過程，本質(zhì)是計算結(jié)構(gòu)振動的特征值和特征向量[4]。

結(jié)構(gòu)振動的一般微分方程可描述為：

(1)

式中：M為振動系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為系統(tǒng)所受的外界激勵；x為結(jié)構(gòu)振動的位移向量。

本文研究計算的是微耕機底盤的自由模態(tài)：當缺少阻尼及外力時，即底盤處于自由振動時，微分方程簡化為：

(2)

由于線彈性系統(tǒng)自由振動可分解成一系列簡諧振動的疊加，當位移x=Xsin(wt)，可得：

(3)

式中，φi為各節(jié)點位移的振動幅度向量，即結(jié)構(gòu)的固有振幅；wi為與固有振幅對應的結(jié)構(gòu)固有頻率[5]。

2 X20IE-4型電動微耕機履帶底盤模型建立

該微耕機底盤由12根支撐輪軸、4根導向輪軸、4根張緊輪軸及兩根驅(qū)動輪軸組成。總長度7400 mm，寬680 mm，內(nèi)側(cè)寬度設(shè)計為420 mm，高度240 mm。利用三維建模軟件UG，按照實際尺寸建立如下三維模型，如圖1所示。

本次擬研發(fā)設(shè)計的電動微耕機中的履帶底盤采用三角式的履帶底盤，并搭配橡膠材質(zhì)的履帶底盤進行溫室無人駕駛電動微耕機的設(shè)計。通過對履帶式電動微耕機性能參數(shù)的深入研究，并結(jié)合溫室旋耕作

1.驅(qū)動輪軸；2.導向輪軸；3.支撐輪軸；4.張緊輪軸

業(yè)實際生產(chǎn)要求，對驅(qū)動輪、導向輪、支重輪、整體車架、張緊機構(gòu)進行設(shè)計，對履帶參數(shù)進行計算選型。

3 電動微耕機底盤的有限元模態(tài)分析

3.1 底盤有限元模型建立及參數(shù)定義

本研究對微耕機履帶底盤進行了重新設(shè)計，改變了其原有的傳動形式及控制元件空間布局，并在UG軟件中對履帶底盤進行建模，將該模型以xt格式導入ANSYS軟件，對其進行有限元建模，將底盤材料定義為結(jié)構(gòu)鋼，該材料的部分屬性參數(shù)定義如表1所示。首先，對車架模型進行適當?shù)睾喕瑒h除掉對模態(tài)和瞬態(tài)動力學分析影響較小的細節(jié)部分，以免影響整體網(wǎng)格質(zhì)量。其次，由于車架以焊接成型為主，故在軟件中各個零部件均設(shè)置成Bonded類型[6]。之后進行網(wǎng)格劃分。

表1 結(jié)構(gòu)鋼屬性參數(shù)

底盤有限元模型如圖2所示，有限元模型節(jié)點總數(shù)為7566195個，網(wǎng)格單元總數(shù)為4397586個，使用ANSYS的Mesh Metric工具對單元的總體質(zhì)量進行檢查，結(jié)果如圖3所示，可以看出，單元整體質(zhì)量較好，單元質(zhì)量平均值0.747左右，滿足分析要求。

圖2 底盤有限元模型

圖3 底盤網(wǎng)格劃分質(zhì)量

3.2 底盤模態(tài)求解與分析

動力學理論認為，實際工程中能夠?qū)Y(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響的往往只是低階的頻率振型，所以，只要結(jié)構(gòu)避開低階頻率共振區(qū)域，系統(tǒng)就能安全運行[7]。且微耕機底盤的振動源主要是電動機和路面不同度引起的振動，兩者均屬于低頻率振動。所以，對履帶底盤進行前20階模態(tài)求解分析。該履帶底盤前20階模態(tài)的固有頻率分布如表2所示。

表2 車架前20階模態(tài)固有頻率

由表2可以看出，該微耕機底盤前6階模態(tài)固有頻率較小，在第6階和第7階頻率之間變化較大，這是由于本文計算的是微耕機底盤的自由模態(tài)，自由模態(tài)的前幾階固有頻率接近于零，這些模態(tài)的固有頻率為該底盤的剛體模態(tài)，一般在工程實際中不予考慮。從第四階模態(tài)固有頻率開始，微耕機底盤的固有頻率依次上升，且變化無規(guī)律可循，底盤第20階模態(tài)的固有頻率最大，其值為430.18 Hz。同時，該微耕機底盤的固有頻率在163.24、183.39和191.60 Hz處較為集中，應盡量避免這幾個頻率的振動激勵[8]。底盤的部分階數(shù)模態(tài)振型分別如圖4～圖7 所示，圖中淺色區(qū)域變形量最小，深色區(qū)域變形量最大。

圖4為微耕機底盤第1階模態(tài)振型，固有頻率為0 Hz，由于第1階模態(tài)為其剛體模態(tài)，故各個位置均無較大變形。圖5為微耕機底盤第4階模態(tài)振型，也是其Z方向第1階模態(tài)振型，固有頻率為0.0010317 Hz，可以看出，微耕機底盤的變形程度兩端沿Z軸對稱分布，底盤中間部分變形量最小，底盤后方的板件變形量最大。圖6為微耕機底盤的第5階模態(tài)振型，也是其X方向第1階模態(tài)振型，固有頻率為0.0019478 Hz，可以看出，微耕機底盤的變形程度大致沿X軸對稱分布，底盤的中間區(qū)域變形量最小，底盤前后兩端區(qū)域的變形量最大。圖7為微耕機底盤的第15階模態(tài)振型，為Z方向模態(tài)振型，固有頻率為302.36 Hz，底盤前端區(qū)域變形量較小，底盤后端區(qū)域變形量較大。圖14為微耕機底盤的第20階模態(tài)振型，依然為Z方向模態(tài)振型，固有頻率為 430.18 Hz，底盤變形量較為均勻，變形量最大區(qū)域集中在底盤后方圓管件處。

圖4 第1階模態(tài)振型

圖5 第4階模態(tài)振型

圖6 第5階模態(tài)振型

圖7 第15階模態(tài)振型

需要指出的是：

在所分析的模態(tài)振型中，并沒有出現(xiàn)Y方向的模態(tài)振型，這主要是由于只分析了微耕機底盤前20階模態(tài)振型所致，隨著模態(tài)振型階數(shù)的進一步提高，將會出現(xiàn)Y方向和混合方向的模態(tài)振型，底盤變形量的分布會變得更加復雜，零變形面也會變得更加不規(guī)則；在各階模態(tài)振型中，雖然有各個位置對應的變形量，但該變形量的量值并無實際意義，紅色區(qū)域僅代表在該固有頻率的激勵下該位置產(chǎn)生的變形較大，但變形量究竟是多少在模態(tài)振型云圖中無法獲取。

4 結(jié)語

本研究以一款電動微耕機橡膠履帶底盤為研究對象，利用三維建模軟件UG建立有限元模型，并對導入ANSYS workbench對該底盤進行模態(tài)分析，得到了前20階模態(tài)的變形云圖和固有頻率，直觀反映了微耕機工作時底盤的動態(tài)特性，減少了實驗成本。

通過有限元計算的結(jié)果進行分析得出，該微耕機底盤的固有頻率163.24 Hz、183.39和191.60 Hz處較為集中，應盡量避免這幾個頻率的振動激勵，這為后續(xù)研究、實驗提供可靠的理論依據(jù)。