联合整地机牵引机架的有限元分析

2014-08-23贾富国姜雪松

森林工程 2014年4期

康凯，贾富国*，姜雪松

(1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨 150040)

联合整地机的主要承载部件牵引机架，在实际工作中有可能出现弹性变形、断裂和过大的塑性变形等问题[1-3]。机架的受力情况和几何形状比较复杂，而传统的机架设计主要是应用类比法，结合材料力学和弹性力学相关知识进行强度和刚度的分析[4-8]。这种分析方法只能计算出简单结构某些部位的应力值，而牵引机架整体的极限位移变化，实际应力值及其分布情况等都是未知的。为了保证牵引机架在工作过程中安全稳定，承载薄弱部位必须满足刚度和强度的要求。本文利用CATIA分析和仿真模块对联合整地机牵引机架进行强度分析，以提高机架的设计效率和质量，为其进一步做优化奠定基础。

1 机架的结构

1.1 机架的结构

联合整地机牵引机架是由牵引座、前支臂梁、后支臂梁、横梁、加强筋、侧板等组成，并且呈对称分布，如图1所示。其中前支臂梁、后支臂梁、横梁、加强筋均为冷弯空心矩形管，其它零件材料均为Q235钢板，连接方式以焊接为主螺栓连接为辅。

2 机架有限元模型的建立

2.1 模型的建立与导入

为了高效的进行有限元模型分析，本文将在CATIA环境下建立的实体模型直接导入CATIA分析和仿真模块中进行分析。这样避免了模型接口转换过程中出现异常状况，导致分析失败的可能。为了便于有限元分析，对模型进行如下了简化：①忽略各处过渡圆角，忽略箱体上所有的螺栓孔。②设各焊接处为理想焊接[9-10]。

图1 牵引机架的结构示意图

2.2 定义材料属性

建立完机架有限元模型之后，运用CATIA提供的材料赋予指令，定义机架各组件的材料属性。机架是由规格为150×150 mm、150×100 mm、130×130 mm、80×50 mm的矩形管和厚度为14 mm的钢板焊接而成。Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。机架材料属性见表1。

表1 机架材料属性表

2.3 网络划分

网格划分是有限元分析的重要环节。网格划分的好坏直接关系到有限元分析结果的精度。本文利用CATIA分析模块中的空间四面体单元自动生成功能，将网格划分为空间四面体单元，并对局部应力分布较重要的部位进行了网格细化。网格划分见表2，模型如图2所示。

表2 机架网格划分表

图2 机架网格模型

2.4 创建连接关系及定义连接特性

2.4.1 创建连接关系

牵引机架主要是通过矩形管焊接而成，所以将各梁架间的连接关系定义为线连接。连接板与侧板是通过螺纹连接装配在一起的，各段之间的连接关系为两个螺纹孔同心及接触面的重合，通过装配模块中的约束可方便而快速的创建面连接关系。机架的线面连接关系如图3所示。

图3 机架连接关系

2.4.2 定义连接特性

连接特性的创建以连接关系为基础。焊缝连接为牵引机架的主要连接特性。为了达到以最小的计算量获得较高的计算精度，本文将螺纹连接处理为虚拟螺纹连接，该连接特性的特点是不用建立螺栓，可真实的反应螺纹连接的特点。该连接特性以同心约束为基础连接关系。机架连接特性如图4所示。

注：红色代表焊缝连接；黑色代表虚拟螺纹连接。

2.5 约束施加约束和载荷

2.5.1 施加约束

有限元工程分析的目的是避免机架在实际工作中出现变形、断裂和过大的塑性变形等现象。在确定约束条件时，既要保证结构不做刚体位移，使方程可以求解，又不至于由于附加不正确的约束得出错误的结果。牵引机架的约束主要是固定侧板，即将侧板的X、Y、Z、ROTX、ROTY和ROTZ方向固定。

2.5.2 施加载荷

联合整地机牵引机架在作业时承受的主要载荷有：机架重力G、土壤对机架的等效支反力N、拖拉机对机架的牵引力F、土壤对机架的等效阻力P等。机架重力G和等效支反力N是一组平衡力系，经过预备性试验测得，与联合整地机具配套的220 KW拖拉机在前进速度为9 km/h时的牵引力FN=80.55 KN。联合整地机工作时，土壤对机架的等效阻力P为触土工作部件深松铲、圆盘耙片、和合墒圆盘同时作业时所受的土壤阻力，圆盘耙、深松铲和合墒盘的牵引阻力分别为

F圆盘耙=kb×a1×l。

式中：kb为圆盘耙的工作比阻，N/cm2；a1为耙深，cm；l为工作幅宽，cm；k深松铲的工作比阻，N/cm2；a2最大耕深，cm；m1为深松铲个数；b为当量耕宽，cm；kh为合墒盘的工作比阻，N/cm2；a3为合墒深度，cm。

机架的牵引力

F=FN-F圆盘耙-F深松铲-F合墒盘。

计算得出F=20.25 KN。