果园割草机悬挂装置的有限元分析—基于ANSYS Workbench

白璐璐，刘俊峰，李建平

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001)



果园割草机悬挂装置的有限元分析
—基于ANSYS Workbench

白璐璐，刘俊峰，李建平

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定071001)

摘要：利用CAD/CAM软件Inventor的建模和分析功能，得到了3GC-160型悬挂式果园割草机的质心位置，通过等效质心法对割草机的三维模型进行简化，将其通过接口导入ANSYS Workbench有限元分析软件中，对模型进行静力学分析和模态分析，得到悬挂装置的变形、应力、应变分布云图及模态频率和振型云图。分析结果表明：悬挂装置设计合理，可为动力学分析和后续优化设计奠定基础并提供参考依据。

关键词：果园；悬挂式割草机；悬挂装置；ANSYS Workbench；有限元分析

0引言

果园生草制就是在果树行间或全园长期种植多年生植物作为覆盖的一种果园土壤管理制度[1]。果园生草可以改善果园环境小气候、防止水土流失及提高果品品质和产量，具有良好的生态效益、社会效益和显著的经济效益，是果业生产提质增效的有效途径[2]。随着果园种植面积的不断扩大，控制果树行间草生长态势所需的工作量日益增长，劳动成本增加，实现果园割草的机械化作业至关重要。为了减轻劳动强度、提高劳动效率，设计了适用于大中型果园的3GC-160型悬挂式果园割草机。

悬挂装置是悬挂式果园割草机的关键部件之一，通过三点悬挂挂接在拖拉机上。悬挂装置的性能直接影响到悬挂式果园割草机的性能与寿命，其失效方式与材料的力学性能、载荷性质、应力状态、构件的形状和尺寸等因素有关[3]。拖拉机通过悬挂装置将割草机提离地面，使得运输和转弯操作方便与灵活；同时，割草机在实际工作条件下受力复杂，拉杆容易折断，因此通过ANSYS Workbench软件对悬挂装置进行有限元分析，得到悬挂装置的变形、应力、应变分布云图及模态频率和振型云图具有现实意义，以便为进一步动力学优化设计提供理论依据。

1总体方案设计

1.1悬挂式果园割草机的结构和原理

悬挂式果园割草机由机架、变速箱、悬挂装置、草体切割装置及行走装置等组成，结构如图1所示。悬挂装置通过三点悬挂挂接在拖拉机上，动力经拖拉机动力输出轴由万向节传动轴输出，经过一级锥齿轮传动把动力传给草体切割装置；刀轴旋转带动刀盘工作，刀盘旋转时甩刀在离心力的作用下甩出实现割草作业，当遇到障碍物时，甩刀能够向后回转而不致损坏。在割草机的四周有锁链，以免割下的草飞散。运输时，割草机通过悬挂装置由拖拉机液压机构提升。

1.悬挂装置　2.变速箱护罩　3.变速箱　4.机罩

1.2主要技术参数

作业幅宽/mm：1 600

留茬高度/mm：35～110

拖拉机输出转速/r·min-1：540

外形尺寸(长×宽×高)/mm：1 800×1 850×1 125

甩刀数量/个：2

整机质量/kg：480

配套拖拉机/kW：29.4～36.75

2悬挂装置的结构与材料

悬挂装置由支撑杆、拉杆、悬挂前连接件、悬挂后连接件和悬挂固定件组成，如图2所示。其中，支撑杆与拉杆、支撑杆与悬挂前连接件由螺栓紧固连接，拉杆与悬挂固定件由悬挂后连接件由螺栓紧固连接，悬挂固定件和悬挂前连接件焊接在一起，同时焊接在机罩上。

1.左支撑杆　2.右支撑杆　3.左拉杆　4.右拉杆

悬挂装置材料选用普通碳素结构钢Q235A，材料属性杨氏模量为E=2.1×105N/mm2,密度为7 860kg/m3，泊松比为0.288[4]。

3悬挂装置的静力学分析

静力分析是在不考虑阻尼和惯性的影响下，结构在静载荷作用时，分析结构变形、约束反力、应力和应变的分布情况等。根据有限元理论和弹性力学知识，对结构中微小单元进行受力分析，可得到单元的平衡微分方程、几何方程和物理方程。

平衡微分方程为

(1)

几何方程为

(2)

物理方程为

(3)

利用微分方程、边界条件(即载荷和约束)和有限元软件求得有限个单元点处的变形与受力情况，根据节点位移和上述平衡方程可以求得应力应变分布情况[5]。

3.1悬挂装置前处理

3.1.1模型的建立与导入

ANSYS Workbench中的DesignModeler组件与当前主流的CAD软件能够兼容，并可以协同建模，能实现与CAD软件的无缝几何模型传递，这些软件有Inventor、Pro/E、Solidworks及CATIA等。悬挂装置为复杂的三维实体模型，因而本文采用更加熟悉的Inventor建模软件建立三维模型,通过嵌入接口将模型直接导入 ANSYS Workbench中, 并连接结构静力分析模块。模型与结构静力分析链接图如图3所示。

图3　模型与结构静力分析链接图

为了使悬挂装置受力分析更接近实际工作情况，将悬挂装置安装在悬挂式果园割草机上进行有限元分析。然而，割草机的结构复杂，划分网格困难，难以直接参与有限元分析。因此，采用等效质心法[6]将整机简化成两部分，即悬挂装置和等效平板。首先，对悬挂式果园割草机进行三维实体建模，利用Inventor软件的分析功能确定割草机的质心位置。然后，由质心位置、整机质量和Q235A的密度核算出等效平板应采用密度比Q235A小的材料进行简化。这样等效平板体积足够大，在保证质心相同的同时，悬挂装置能够完全放置在等效平板上，更接近实际情况，故本文选择铝材料。最后，建立了与整机具有相同质心和相等质量的一个较规则的三维模型。简化后的模型如图4所示。

图4　等效装配图

3.1.2模型材料的定义

进入材料定义主界面，单击“Click here to add a new material”选项，分别添加Q235A和Al两种材料，双击左侧Toolbox中的Density和Isotropic Elasticity，将这两个材料属性添加到新材料属性中。Q235A设置Density为7.86g/cm3,Young’s Modulus为2.1E+05MPa,Poisson’s Ratio为0.288。Al设置Density为2.7 g/cm3，Young’s Modulus为7.2E+04MPa,Poisson’s Ratio为0.34。

图5　材料定义主界面

3.1.3网格划分

进入ANSYS Workbench的Model分析主页面后，首先进行材料的选择，材料选好后进行网格划分。对于三维几何体，ANSYS Workbench划分网格的物理环境有结构分析(Mechanical)、电磁分析(Electromagnetics)、流体分析(CFD)及显示分析(Explict)。网格划分方法有自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠划分法及多区划分法[5]。本文在结构分析环境中，采用自动划分法划分网格，属性窗口中设置相关性Relevance为100，关联中心Relevance Center为Coarse，平滑度Smoothing为Medium，过渡Transition为Fast。网格划分后生成293 139个节点、144 660个单元。网格划分模型如图6所示。

图6　网格划分模型

3.1.4施加载荷及约束

当割草机刚被提离地面时悬挂装置受力最大，以悬挂装置最大受力的状态作为静力分析的工况[6]。在悬挂装置与拖拉机的三点连接处添加圆柱面约束Cylindrical Support,设置Tangential为Free。在整体坐标系的-X方向添加重力加速度Standard Earth Gravity，值为-9 806.6mm/s2。施加载荷模型如图7所示。

图7　施加载荷模型

3.2模型求解及分析结果

对等效模型进行结构静力学的有限元分析，求解结果Solution包括全位移(Total Deformation)、等效弹性应变(Equivalent Elastic Strain)及等效应力(Equivalent Stress)。

由悬挂装置的变形云图(见图8)可以看出：悬挂装置最大变形量为0.628 51mm，发生在机身尾部。

由悬挂装置的应变云图(见图9)可以看出：悬挂装置应变集中在支撑杆和悬挂前连接件的螺栓孔附近，是最大等效应变发生处，最大值为0.000 323 5，应变范围为1.669 5E-9～0.000 323 5。

由悬挂装置的应力云图(见图10)可以看出：悬挂装置应力集中在支撑杆和悬挂前连接件的螺栓连接处，是最大等效应变发生处，最大值为49.236MPa，应力范围为0.000 178 64～49.236MPa[7]。

图8　变形云图

图9　应变云图

图10　应力云图

安全系数计算为

(4)

式中S—安全系数；

σs—材料的屈服强度；

σmax—最大等效应力。

有限元分析结果显示：悬挂装置在最大应力工作位置的最大变形量0.6285 1mm,变形小不影响装置的正常使用；装置所用材料Q235A的最小屈服强度为235MPa，远远大于悬挂装置在最大应力位置下的应力值，故结构强度能够满足使用要求。

4悬挂装置的模态分析

模态分析主要用于确定机器部件或设计机构的振动特性(即固有频率和振型)，是结构动态设计和设备故障诊断的重要方法[8]。根据ANSYS Workbench有限元分析软件的计算结果，提取其前6阶的模态频率如表1所示，振型如图11所示。

表1　悬挂装置前6阶固有频率

图11　悬挂装置前6阶振型云图

由表1可以看出：悬挂装置的固有频率在55.562～219.28Hz之间变化，随着模态阶数的增加，模态频率也增加。由图11可以看出：第1、2阶模态分别是左拉杆和右拉杆沿X轴方向呈现出振幅不大的弯曲变形，第3、4阶模态分别是左拉杆和右拉杆绕Z轴方向的扭转变形，第5、6阶模态是左右拉杆沿X轴方向的弯曲变形同时伴随绕X轴方向的扭转变形。

国产拖拉机振动系统的垂向固有频率分别集中在3～4Hz[9]，作为割草机悬挂装置的振动源之一,比割草机悬挂装置的固有频率低，因此拖拉机的震动不会引起与悬挂架的共振。

同时，割草机机体的振动主要是由变速箱带动的刀盘旋转引起，割草机刀盘旋转的额定转速为2 500r/min,频率为41.67Hz低于第1阶模态频率，避开了悬挂装置的固有频率，提高了设备使用的安全性。

5结论

1)通过Inventor软件对果园割草机整机装置建模，通过接口将模型导入ANSYS Workbench进行结构静力学有限元分析。等效质心法的应用使得有限元分析的模型得到简化，有利于对割草机机体进行网格划分和有限元分析，利用铝材料金属板替代割草机机身有利于悬挂装置的受力与实际工况相似，使得分析结果最大限度达到不失真。

2)通过对悬挂装置的应力、应变和变形进行有限元分析，验证了悬挂装置满足强度。同时，说明了最大应力、应变和变形发生的位置，对果园割草机整机装置的受力情况有了直观的了解，为装置设计时的注意事项提供了依据，为结构的优化和后期维护提供了重要数据。通过软件模拟实际工况进行分析，大大缩短了设计时间和有效地验证了设计是否合理。

3)对悬挂装置的模态分析，确定结构发生共振的频率段，了解了何种外激励载荷下会有危险。该研究可为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。

参考文献：

[1]廉国武．果园生草制概述[J]．山西果树，2000(4)：30-31.

[2]李建平，刘俊峰，李杰银．果园割草机割茬高度机构运动分析与设计[J]．农机化研究，2013，35(8)：43-45,49.

[3]朱欣欣，王君玲，张祖立．蔬菜移栽机悬挂装置的静应力分析[J]．农机化研究，2012，34(5)：58-60,64.

[4]牛长河，王学农，陈发，等．拔麻机前悬挂装置的设计与分析[J]．新疆农机化，2007(1)：41-42．

[5]袁越锦，徐英英，张艳华．ANSYS Workbench14.0建模仿真技术及实例详解[M]．北京：化学工业出版社，2014．

[6]李从权．秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机的关键零部件研究[D]．呼和浩特：新疆农业大学，2007．

[7]吕小荣，马荣朝，程新平，等．种绳直播机悬挂装置的有限元分析[J]．中国农机化，2011(2)：105-107．

[8]文怀兴，崔康．基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能分析[J]．组合机床与自动化加工技术，2012(12)：49-52．

[9]徐刚，朱思洪，聂信天，等．国产拖拉机振动系统固有频率研究[J]．振动与冲击，2014(15)：157-161．

The Finite Element Analysis of Orchard Mower Suspension—Based on ANSYS Workbench

Bai Lulu, Liu Junfeng, Li Jianping

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract：The centroid of 3GC-160 suspended orchard mower is obtained by using the CAD / CAM software Inventor which has the capabilities of modeling and analysis. Using the method of equivalent centroid three-dimensional model of the mower is simplified. Three-dimensional model is imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench by interface. ANSYS Workbench make the static analysis and modal analysis for the model. The analysis results show the contours of deformation, stress and strain, modal frequencies and mode shapes. Final results show that the design of suspension is reasonable. And it lays the foundation and provides a reference for the analysis of dynamic and subsequent optimal design.

Key words：orchard; suspended mower; suspension; ANSYS Workbench; finite element analysis

文章编号：1003-188X(2016)04-0039-05

中图分类号：S224.1+5

文献标识码：A

作者简介：白璐璐(1988-)，女，石家庄人，硕士研究生，(E-mail)bailulu0310@163.com。通讯作者：刘俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

基金项目：国家苹果产业技术体系项目(CARS-28);国家公益性行业(农业)科研专项(201203016)

收稿日期：2015-03-25