玉米免耕播種機機架的有限元分析

玉米免耕播種機機架的有限元分析

傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析法計算量大，效率低?？紤]到該機器產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先進的分析方法，可以顯著提高計算效率。在實際工程結構的設計工作中,動力學設計和分析是必不可少的一部分。幾乎現代所有工程結構都面臨著動力問題。隨著科技的不斷發(fā)展,機械和工程結構向高速化、精密化和自動化發(fā)展的趨勢愈來愈突出,對其進行動力學分析也就顯得越來越重要。肖成林等利用ANSYS軟件對耕整機機架進行有限元分析并提出了改進措施,楊光利用ANSYS對2CZ-21型甘蔗種植機機架進行了力學分析和優(yōu)化,提出了機架在危險工況下的修改意見,并對原有結構進行了優(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,以玉米免耕播種機機架為對象來研究基于SolidWorks的播種機機有限元分析方法。為得到播種機機架在靜態(tài)載荷作用下的應力、位移、彎矩等分布情況,采用設計分析插件Simulation對播種機機架進行靜力分析;同時為得到機架的動態(tài)特性及響應情況,對機架進行模態(tài)分析和瞬態(tài)動力分析,以期為播種機機架結構的優(yōu)化改進提供參數依據。1懸架的三化合成由SolidWorks軟件建立的玉米免耕播種機單行機架的三維模型如圖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。該機架采用三點全懸掛式,地輪架、梁架通過U型卡子與懸掛架上的橫梁相連接。該機架梁結構所用型材為60mm×5mm方形空心鋼管及60mm×40mm×5mm矩形空心鋼管,所用的材質是Q235鋼,彈性模量E=210×105MPa,泊松比μ=0.288,屈服強度σs=235MPa,主要結構通過型材與鋼板焊接而成。2梁架的混合網格結構及其特征應用SolidWorksSimulation進行有限元分析時的步驟與其他FEA軟件類似,添加材料屬性、施加載荷和約束、劃分網格、求解及結果后處理。為簡化分析過程,將機架分成3部分進行分析。梁架的主要材質是Q235鋼,梁架承受排種器組件、排肥器組件的質量以及開溝器的工作阻力等,將各組件的質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,覆土器聯板上。后兩者所受的力是通過遠程載荷添加的,需要建立參考坐標系1,力的作用位置相對于坐標系1的坐標分別為(367,260,51.5)、(90,310,-6)、(853,307.4,-118.5)、(853,307.4,218.5)(圖2)。分析時將梁架的兩側板視為橫梁,與橫梁連結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。對焊接部位添加焊縫。與梁架相連的U型卡子簡化為地腳螺栓連接,作用在耳板的4個17mm孔上,同時在耳板的外側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。由于構成梁架的零件有鈑金模型實體模型以及橫梁,為提高計算速度梁架采用混合網格來劃分,即劃分后的網格單元中同時存在實體單元、殼單元以及橫梁單元。梁架劃分網格后如圖2,其中所用網格器為基于曲率的網格,最大單元為24.369mm,最小單元為4.874mm,高品質網格,節(jié)總數為32999,單元總數為17666,雅克比點為4點。由圖3和圖4可知,梁架側板在方向1和方向2的最大彎矩分別為1.81和97.84N-m;由圖5可知,側板的最大折彎應力為2.17MPa,遠小于其極限情況下的最高折彎應力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(相當于除地輪架以外的機架重量的四分之一)作用下的最大應力為174MPa,小于其屈服強度235MPa,最大位移0.096mm,最大折彎應力1.232MPa,小于其最高折彎應力10.552MPa。懸掛架在1260N(相當于梁架質量)作用下的最大應力為71.80MPa,遠小于其屈服強度235MPa,位移變化甚微,折彎應力小于最高折彎應力4.54MPa3動態(tài)分析3.1u3000地面連接的熱控制板設計SolidWorks中的頻率分析(模態(tài)分析)會涉及剛度系數和質量矩陣,因而結構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、銷釘連接和點焊等方式近似模擬。因此,壓縮機架中的所有U型卡子,添加適當的配合條件使裝配體完全定義,采用結合接觸來代替U型卡子;對于地輪架上的調節(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動,在鎮(zhèn)壓輪聯板底面添加彈性支承約束。對于本研究中機架的頻率分析不考慮載荷對結果的影響。仍采用高品質混合網格劃分整個機架,運行分析即可得到機架的固有頻率及相應的模式。由表2可知,機架的前10階振動主要在X,Z方向(圖1)上,表現為擺動、轉動或同時進行,即主要在豎直方向和前后方向上的振動。3.2動態(tài)載荷作用下的位移SolidWorksSimulation提供的模態(tài)時間歷史算例可用于確定機構在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應力、應變,生成算例以將實體響應計算為時間函數。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)一基準激發(fā),激發(fā)類型為位移,數值為100mm,隨時間變化的曲線為延遲的單位階躍曲線,延遲時間為0.1s,仿真起始時間0s,結束時間1s,時間增量0.01s。此外,將排種、肥裝置簡化為質量塊,設為遠程質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;采用默認的高品質網格劃分機架,運行分析后即可得到隨時間變化的響應值。由圖6～圖8可知,位移、應力在0.1s和0.2s處有劇烈變化,即階躍曲線的轉折處,最大位移0.49mm,最大應力96MPa。由圖9可知,在動態(tài)載荷作用下,節(jié)點39490在Y方向(坐標系如圖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62875的X,Z方向位移起主要作用,節(jié)點71689的X,Z方向位移起主要作用,可見梁架結構在X,Z方向的位移變化較大。4機體整體結構分析本研究以播種機機架為對象,進行靜力分析,通過添加接觸條件、夾具、