基于CATIA的大型农具机架有限元分析与结构优化

2012-09-20刘宏新宋微微廉光赫

东北农业大学学报 2012年11期

刘宏新，宋微微，廉光赫

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150040；3.吉林省农业机械试验鉴定站，长春 130062）

农机具大型化使机架结构愈加复杂，机架的强度、刚度及稳定性等问题突显。传统的结构分析方法解决此类问题难度较大，需要大量简化过程，实际的细微结构与联接关系无法真实体现，计算精度低，不具实用价值。复杂的计算过程也需很长的计算周期。因此，利用现代技术手段解决此类问题具有现实意义。本文利用CATIA的有限元工程分析模块，对一种新型农具机架，在三维数字模型上进行有限元分析与结构优化。通过定义其材料、联接关系、联接特性及施加载荷等全部的机构与状态特征，保证分析结果的真实性与实用性。

1 三维模型

研究对象为一种新式横向分段仿形组合悬挂式大型农具机架，如图1所示。本文以其应用于受力情况较为复杂的播种机具进行分析，总计24行、行距35 cm的复式平作播种单元被分成三组，其中10行位于中间主悬牵梁8的中间段上，并根据地轮的位置形成3-4-3行的布局，另外两组各7行安装于左右两侧的单机梁7上，形成较为独立并可被单独悬挂运输的小型播种机。主悬牵梁由两部分结构组成。基础结构是主悬牵梁10，其中间是带悬挂点、两端对置矩形框架的单根梁，两侧是用于联接单机的牵引梁以插接的形式与中间框架组合，并通过螺栓锁定；辅助结构是主悬牵梁8、水平和垂直的两组拉筋。若实际工况中主悬牵梁仅采用基础结构即单根梁，抗弯能力差，在两侧力及力矩的作用下易发生变形。加入辅助结构可提高机架组合后主悬牵梁的钢度及稳定性，该种结构方案的目的是便于机具的运输以及组装的灵活性。主悬牵梁的中间段兼作气力式排种系统的主气道及气压稳定器，其上开有间距35 cm的通气孔。机架正对拖拉机的行走带处设置用于传动和限制耕深的双轴地轮9，双轴之间设有同步装置，其高度由液压系统控制。左右单机各通过两个球形铰接杆与插装于主梁上的牵引梁联接，每组中的两个球形铰接杆、与牵引梁及单机前梁上的铰接点中间段构成一个前宽后窄的等腰梯形。球铰使单机能够灵活地相对主梁上下浮动仿形，梯形结构保证单机被牵引作业时的纵向稳定性。机具在整体运输及地头转弯的提升状态时，左右单机被锁定机构6限制位置，与主梁形成相对固定的整体，而作业时则解除限制以保证多级仿形的实现，该机构的动作由液压系统控制。

图1 大型横向分段仿形组合悬挂式农具机架Fig.1 Combined suspension frame of large agricultural machinery

主悬牵梁由于位置及功能的要求，其结构及受力最为复杂，对整机的强度及稳定性有重要的影响。以下通过有限元结构分析验证主悬牵梁辅助结构的有效性。

2 基础结构分析

2.1 模型处理与定义材料

材料定义：冷轧钢方管，壁厚8 mm。材料属性为抗拉强度375～406 MPa；屈服极限235 MPa；泊松比0.3；弹性模量2.06×105MPa；密度7 860 kg·m-3。

2.2 设置虚件

实际工况中，安装于主悬牵梁上的播种单元、地轮和左右单机的重心位置不在主悬牵梁上，使用虚拟零件可通过它的支撑点在一定距离内传递作用效果。虚件的设置需要支撑面，在梁周围生成0.01 mm的凸台作为支撑面，如图2所示。

图2 支撑凸台Fig.2 Support convex platform

2.3 创建联接关系及定义联接特性

主悬牵梁属部装件，需要建立有限元分析专用的联接特性来明确各零部件之间的联接特性，包括相互位置及力的传递关系等，从而保证载荷和应力应变在部件之间通过联接特性进行有效传递，与真实的受力情况保持一致。

2.3.1 创建联接关系

中间主梁与两侧单体牵引梁的联接方式为插接方式，联接关系为面的接触联接。机架其他部位为方管焊接而成，联接关系为线联接。

2.3.2 定义联接特性

主梁插接管与单机牵引梁的联接特性定义为刚性接触联接特性，机架各个矩形方管之间为焊缝联接特性。如图3，焊点标注即为焊缝联接特性，交叉线形状为刚性接触联接特性。

图3 联接特性Fig.3 Connections property

2.4 施加约束、载荷

2.4.1 施加约束

人文主义精神是一种普遍的人类自我关怀，表现为对人的尊严、价值、命运的维护、追求和关切[4]。受市场经济等因素影响，我国医疗卫生事业中部分医务人员道德素质下降，医患关系日益紧张，对医学生自身发展和病人健康造成冲击，医学的人性光芒日趋黯淡，医学的人文主义精神衰落，同样也对整个社会的伦理道德产生严重冲击。为此，加强医学生人文主义教育成为高等医学院校思想政治教育的主要任务，具体内容及实施路径见图1。

2.4.1.1 最大作业深度

根据机具与拖拉机的联接方式及实际机组受力状态，主悬牵梁的约束为三个悬挂点处的铰接约束和地轮施加的支承约束。

2.4.1.2 悬挂位置机架整体被抬起，主悬牵梁的约束为三个悬挂点处的夹紧约束。

2.4.2 施加载荷

2.4.2.1 最大作业深度

播种机处于最大作业深度位置时，此时机架承受的牵引负荷最大。作业阻力来自于开沟器、地轮、覆土器及镇压轮。依据农业机械设计手册，在8、11 cm测深施肥，5 cm播种情况下，单个双圆盘开沟器的阻力为160 N，单圆盘覆土器阻力为120 N；镇压轮阻力为50 N，滑靴式开沟器阻力为50 N。因此，一个播种单元的工作阻力为380 N。根据滚动系数计算出每侧地轮滚动阻力为2 000 N。在实际结构中，作用在铰接孔和销轴上的载荷不是简单的均布载荷，也不是集中载荷，这里可利用施加轴承载荷来模拟等效各铰支点受力分布情况，计算结果精度可以满足我们设计的需要。载荷分布如图4所示，a表示播种单元与地轮工作阻力的均布载荷，b表示球铰接板处的轴承载荷。

2.4.2.2 悬挂位置

由于整机重量大，幅度宽，在机架悬挂状态运输过程中，必须要考虑机架在垂直方向上的受力及变形。悬挂状态时主悬牵梁上的载荷来自于自重、种肥播种单元、地轮、左右单机组以及颠簸过程中的惯性力。以上载荷值由计算机根据三维模型计算和实物样机部件测试获得，其中播种单元的质量为50 kg、地轮组为75 kg，两者重心距机架上主悬牵梁中心线的距离为66 cm、地轮41 cm，左右单机质量相等，各为600 kg，力分两个作用点作用在单机梁上，作用点距单机梁中心线的距离为83 cm。种肥箱分为四个作用点平均作用在整个主悬牵梁上，每点作用质量为60 kg。载荷分布如图5所示，a中红色箭头表示梁的自重，放大图如b；红色虚线表示柔性虚件，各载荷作用于虚件支撑点，放大图如c。以上载荷根据样机实际位置及着力点施加于主悬牵梁上，安全系数取值1.5。

图4 作业时载荷分布Fig.4 Distribute of load on working

图5 悬挂时载荷分布Fig.5 Distribute of load on hanging

2.5 计算与分析

2.5.1 应力

结果见图6。颜色条位置越上面表示应力或应变的数值越大（下同）。

机架在作业及悬挂运输时最大应力均出现在下悬挂装置两侧，其最大应力分别为244和316 MPa。

2.5.2 变形

结果见图7。最大应变均出现在两侧单体牵引梁的外端部，最大变形量分别为13.4和88.2 mm。

图6 应力云图Fig.6 Nephogram of stress

图7 变形云图Fig.7 Nephogram of strain

3 优化结构分析

由上述结果可见，机架的变形问题较突出，经增加梁方管的壁厚试算，对减小变形量的效果不明显，而结构上的调整则表现出良好的作用。以不影响梁架功能及不过大增加钢材使用量为原则，结构做以下优化，即增加辅助结构：在中间主梁后侧加设一横梁，形成双梁结构；在两侧单体牵引梁前侧和上侧端部，各加设两组直径为24 mm的斜拉钢筋，水平面及铅垂面上分别形成稳定的三角形结构，参见图1所示。两种工况加入辅助结构后的分析过程与基本结构大致相同。分析前模型简化处理，在装配体中删除主悬牵梁上的通气管及对应约束，其他简化同2.1节。

斜拉钢筋处理用刚度600 MPa（该值由材料决定）柔性弹簧代替，先在中间主悬牵梁左右两端的对置矩形框上各加两个刚性虚件，刚性虚件支撑点作为单体牵引梁前侧柔性弹簧支撑点，主悬挂装置处刚性虚件支撑点作为单体牵引梁上侧端部柔性弹簧支撑点。结果见图8。

单机上已设好的0.01 mm凸台作为柔性弹簧的支撑面，插入用户轴系确定钢筋即弹簧的方向，柔性弹簧的设置如图9所示。

重新计算结果见图10、11。应力、应变明显减小。最大作业深度的最大应力由244 MPa减小为60.4 MPa，最大变形量由13.4 mm减小为6.24 mm；悬挂位置的最大应力由316 MPa减小为254 MPa，最大变形量由88.2 mm减小为49.9 mm。