玉米免耕播種機(jī)機(jī)架的有限元分析

玉米免耕播種機(jī)機(jī)架的有限元分析

傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析法計(jì)算量大，效率低?？紤]到該機(jī)器產(chǎn)品在確保工作可靠性要求的前提下盡可能降低了制造成本，因此采用自由分法是一種相對(duì)先進(jìn)的分析方法，可以顯著提高計(jì)算效率。在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中,動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和分析是必不可少的一部分。幾乎現(xiàn)代所有工程結(jié)構(gòu)都面臨著動(dòng)力問題。隨著科技的不斷發(fā)展,機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)向高速化、精密化和自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)愈來愈突出,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析也就顯得越來越重要。肖成林等利用ANSYS軟件對(duì)耕整機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析并提出了改進(jìn)措施,楊光利用ANSYS對(duì)2CZ-21型甘蔗種植機(jī)機(jī)架進(jìn)行了力學(xué)分析和優(yōu)化,提出了機(jī)架在危險(xiǎn)工況下的修改意見,并對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,確立了合理的輕量方案。而利用SolidWorks軟件建模并進(jìn)行有限元分析的研究較少,本研究以SolidWorks軟件為工具,以玉米免耕播種機(jī)機(jī)架為對(duì)象來研究基于SolidWorks的播種機(jī)機(jī)有限元分析方法。為得到播種機(jī)機(jī)架在靜態(tài)載荷作用下的應(yīng)力、位移、彎矩等分布情況,采用設(shè)計(jì)分析插件Simulation對(duì)播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力分析;同時(shí)為得到機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性及響應(yīng)情況,對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)動(dòng)力分析,以期為播種機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供參數(shù)依據(jù)。1懸架的三化合成由SolidWorks軟件建立的玉米免耕播種機(jī)單行機(jī)架的三維模型如圖1,主要由梁架、地輪架和懸掛架組成。薄壁件是通過該軟件中的鈑金插件創(chuàng)建的。該機(jī)架采用三點(diǎn)全懸掛式,地輪架、梁架通過U型卡子與懸掛架上的橫梁相連接。該機(jī)架梁結(jié)構(gòu)所用型材為60mm×5mm方形空心鋼管及60mm×40mm×5mm矩形空心鋼管,所用的材質(zhì)是Q235鋼,彈性模量E=210×105MPa,泊松比μ=0.288,屈服強(qiáng)度σs=235MPa,主要結(jié)構(gòu)通過型材與鋼板焊接而成。2梁架的混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其特征應(yīng)用SolidWorksSimulation進(jìn)行有限元分析時(shí)的步驟與其他FEA軟件類似,添加材料屬性、施加載荷和約束、劃分網(wǎng)格、求解及結(jié)果后處理。為簡(jiǎn)化分析過程,將機(jī)架分成3部分進(jìn)行分析。梁架的主要材質(zhì)是Q235鋼,梁架承受排種器組件、排肥器組件的質(zhì)量以及開溝器的工作阻力等,將各組件的質(zhì)量和工作阻力折合為300,150,50,23.213N的力,分別作用在肥箱底板、排種器支座、開溝器支板,覆土器聯(lián)板上。后兩者所受的力是通過遠(yuǎn)程載荷添加的,需要建立參考坐標(biāo)系1,力的作用位置相對(duì)于坐標(biāo)系1的坐標(biāo)分別為(367,260,51.5)、(90,310,-6)、(853,307.4,-118.5)、(853,307.4,218.5)(圖2)。分析時(shí)將梁架的兩側(cè)板視為橫梁,與橫梁連結(jié)的零部件必須添加接合的局部接觸方式,全局接觸方式為接合。對(duì)焊接部位添加焊縫。與梁架相連的U型卡子簡(jiǎn)化為地腳螺栓連接,作用在耳板的4個(gè)17mm孔上,同時(shí)在耳板的外側(cè)面添加剛性虛擬壁用于模擬耳板與懸掛架橫梁的連接形式。由于構(gòu)成梁架的零件有鈑金模型實(shí)體模型以及橫梁,為提高計(jì)算速度梁架采用混合網(wǎng)格來劃分,即劃分后的網(wǎng)格單元中同時(shí)存在實(shí)體單元、殼單元以及橫梁?jiǎn)卧?。梁架劃分網(wǎng)格后如圖2,其中所用網(wǎng)格器為基于曲率的網(wǎng)格,最大單元為24.369mm,最小單元為4.874mm,高品質(zhì)網(wǎng)格,節(jié)總數(shù)為32999,單元總數(shù)為17666,雅克比點(diǎn)為4點(diǎn)。由圖3和圖4可知,梁架側(cè)板在方向1和方向2的最大彎矩分別為1.81和97.84N-m;由圖5可知,側(cè)板的最大折彎應(yīng)力為2.17MPa,遠(yuǎn)小于其極限情況下的最高折彎應(yīng)力25.5MPa;此外,從Simulation中還得到梁架的最大位移為0.975mm。由表1可知,地輪架在1657N(相當(dāng)于除地輪架以外的機(jī)架重量的四分之一)作用下的最大應(yīng)力為174MPa,小于其屈服強(qiáng)度235MPa,最大位移0.096mm,最大折彎應(yīng)力1.232MPa,小于其最高折彎應(yīng)力10.552MPa。懸掛架在1260N(相當(dāng)于梁架質(zhì)量)作用下的最大應(yīng)力為71.80MPa,遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度235MPa,位移變化甚微,折彎應(yīng)力小于最高折彎應(yīng)力4.54MPa3動(dòng)態(tài)分析3.1u3000地面連接的熱控制板設(shè)計(jì)SolidWorks中的頻率分析(模態(tài)分析)會(huì)涉及剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣,因而結(jié)構(gòu)的外形就必須保持不變。由此無穿透接觸、螺栓接頭是不能在頻率分析中使用的,可用接合、自由接觸、銷釘連接和點(diǎn)焊等方式近似模擬。因此,壓縮機(jī)架中的所有U型卡子,添加適當(dāng)?shù)呐浜蠗l件使裝配體完全定義,采用結(jié)合接觸來代替U型卡子;對(duì)于地輪架上的調(diào)節(jié)手柄采用頻率算例中提供的剛性銷釘來代替,其他零件接觸方式與上述3部分相同;在懸掛架上、下8個(gè)懸掛孔中添加參考幾何體約束限制X,Y,Z方向(圖1)的位移,限制地輪豎直向下的運(yùn)動(dòng),在鎮(zhèn)壓輪聯(lián)板底面添加彈性支承約束。對(duì)于本研究中機(jī)架的頻率分析不考慮載荷對(duì)結(jié)果的影響。仍采用高品質(zhì)混合網(wǎng)格劃分整個(gè)機(jī)架,運(yùn)行分析即可得到機(jī)架的固有頻率及相應(yīng)的模式。由表2可知,機(jī)架的前10階振動(dòng)主要在X,Z方向(圖1)上,表現(xiàn)為擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或同時(shí)進(jìn)行,即主要在豎直方向和前后方向上的振動(dòng)。3.2動(dòng)態(tài)載荷作用下的位移SolidWorksSimulation提供的模態(tài)時(shí)間歷史算例可用于確定機(jī)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力、應(yīng)變,生成算例以將實(shí)體響應(yīng)計(jì)算為時(shí)間函數(shù)。該算例中零件的接觸方式,夾具形式與頻率算例中的保持一致;外部載荷作用在地輪軸上,采用統(tǒng)一基準(zhǔn)激發(fā),激發(fā)類型為位移,數(shù)值為100mm,隨時(shí)間變化的曲線為延遲的單位階躍曲線,延遲時(shí)間為0.1s,仿真起始時(shí)間0s,結(jié)束時(shí)間1s,時(shí)間增量0.01s。此外,將排種、肥裝置簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊,設(shè)為遠(yuǎn)程質(zhì)量分別作用在梁架支座和肥箱底板上;采用模態(tài)阻尼,前45階模式阻尼比率為0.05;采用默認(rèn)的高品質(zhì)網(wǎng)格劃分機(jī)架,運(yùn)行分析后即可得到隨時(shí)間變化的響應(yīng)值。由圖6～圖8可知,位移、應(yīng)力在0.1s和0.2s處有劇烈變化,即階躍曲線的轉(zhuǎn)折處,最大位移0.49mm,最大應(yīng)力96MPa。由圖9可知,在動(dòng)態(tài)載荷作用下,節(jié)點(diǎn)39490在Y方向(坐標(biāo)系如圖1)位移變化最大,Z方向變化次之,X方向幾乎無位移變化,Y、Z方向的位移起主要作用;由圖10可知,節(jié)點(diǎn)59901在Z方向的位移變化最大,Z方向次之,Y方向的位移幾乎無變化,Z,X方向的位移起主要作用。此外,節(jié)點(diǎn)62875的X,Z方向位移起主要作用,節(jié)點(diǎn)71689的X,Z方向位移起主要作用,可見梁架結(jié)構(gòu)在X,Z方向的位移變化較大。4機(jī)體整體結(jié)構(gòu)分析本研究以播種機(jī)機(jī)架為對(duì)象,進(jìn)行靜力分析,通過添加接觸條件、夾具、