基于ANSYS Workbench的水稻收割机机架的模态分析及优化*

吴艳英，吴锦行

(1.贵州理工学院，贵州贵阳550003；2.贵州民族大学，贵州贵阳550025)



基于ANSYS Workbench的水稻收割机机架的模态分析及优化*

吴艳英1，吴锦行2

(1.贵州理工学院，贵州贵阳550003；2.贵州民族大学，贵州贵阳550025)

水稻联合收割机机架是整机的关键部件，是其它部件的定位、安装基础，其设计质量关系到整机的使用和制造。基于ANSYS Workbench环境对水稻收割机机架进行模态分析，提取其前6阶固有频率及振型，并对振动特性进行研究，针对机架可能产生共振的固有频率下，变形严重部位局部优化后再进行模态分析。对比前后分析数据，表明改进后的机架振动特性优于原始结构的振动特性，改进后的机架结构更合理。分析结果将为机架结构的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动态特性的优化设计提供理论依据。

机架 ANSYS Workbench 模态分析 优化

0 引言

小型水稻联合收割机是用于西南地方山区水稻收割的机器，其中机架是整机的关键部件,是其它工作部件的安装定位基础，在工作过程中承受相应的工作负载[1]。振动是机器工作时面临的问题之一，机器工作时由于受到电动机的牵引、割台的收割作用以及脱粒滚筒的作用等外力及振动的影响，可能会使机架部件发生共振或疲劳甚至破坏。因此掌握机架的振动特性对设计者来说十分重要。模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型，它是动力学研究的重要参数和基础[2]。

通过模态分析还能发现有害振型和节点位置，通过修正系统的局部结构以改善系统的动态特性，从而得到符合要求的动态强度和刚度[3]。本文在ANSYS Workbench环境下对机架结构进行模态分析，提取机架结构的低阶固有频率和振型，分析现有结构的动态特性，根据分析结果，对机架可能产生共振的固有频率下，变形严重部位局部优化后再进行模态分析提取分析结果[4]。对比优化前后分析数据并评估优化结果，为后续样机的优化设计提供理论依据。

1 模态分析的理论基础

假定为自由振动并忽略阻尼时，其方程为：

当发生谐振动，即u=Usin(ωt)时，方程为：

([K]+ω2[M]){φi}=0

故对于一个结构的模态分析，其固有圆周频率ωi和振型φi都能从上面矩阵方程式中得到[5]。模态分析属于线性分析一类，在分析过程中只有线性行为是有效的，材料的性质可以是线性的、非线性的、各向同性的、正交各向异性的、恒定的或与温度有关的，非线性性质被忽略，在分析中必须指定弹性模量和密度[5-6]。

2 建立收割机机架结构的有限元模型

1-割刀安装梁；2-割台转臂纵梁； 3-割台转臂立梁；4、8-脱粒滚筒安装梁；5-主立梁；6-上主横梁；7-脱粒滚筒横梁；9-主纵梁；10-铁皮外壳图1 机架结构三维模型

ANSYS Workbench软件有多种与其它计算机辅助设计软件进行数据交换的接口，其中IGES与PARA是普遍常用的两种格式。本文采用SolidWorks建立的三维模型[7]如图1所示，将其导入ANSYS Workbench环境，对其划分网格生成包含节点和单元的有限元模型，添加材料信息：机架材料为结构钢，添加的材料信息为：Structural Steel；密度P=7 800 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa,泊松比μ=0.3。由于固有频率和振型仅与结构的质量分布和刚度分布有关，所以分析时采用比较均匀的网格，可减少数值计算误差。网格划分后得到的有限元模型如图1所示，该有限元模型有49 836个单元，130 909个节点。

3 机架的模态分析

图2 模态分析的网格划分模型

选择分析类型为模态分析(Modal)，在机架底部梁上施加固定约束。由模态分析理论可知，低阶振动对结构的影响比高阶振型大[8]。因此设置模态分析的阶数为前6阶，选择Solution-Deformation-Total,点击Solve进行求解。分析完成后，在AWE界面下“Tabular Date”提取前6阶固有频率和振型情况(表1)。

表1 收割机机架模态分析前6阶固有频率与振型

模态阶数频率/Hz振型描述136.435整体变形256.075整体变形379.945前端鼓状变形499.008后端鼓状变形5110.54前、中部鼓状变形+割刀安装梁扭转6113.59前端鼓状变形+割刀安装梁扭转

图3 机架第1阶振型图 图4 机架第2阶振型图

图5 机架第3阶振型图 图6 机架第4阶振型图

图7 机架第5阶振型图 图8 机架第6阶振型图

水稻联合收割机的激励源主要有发动机、脱离滚筒和上割刀。发动机转速为1 800 r/min，激振频率为1 800/60=30 Hz；脱离滚筒转子1 000 r/min，其激振频率为1 000/60=17 Hz左右；上割刀390 r/min，其激振频率为390/60=7 Hz左右，针对以上的外界激振频率作出共振问题的判断。发动机的激振频率为30 Hz，与机架的第1阶固有频率为35.032 Hz非常靠近，可能会引起机架的共振问题，因此对第1阶固有频率下变形较大的部位进行局部优化提高机架固有频率以避免发生共振。

4 机架的局部优化及模态分析

对第1阶固有频率下机架变形较大的部位进行局部优化，主要措施是增加割刀安装梁厚度。将割刀安装梁的厚度由原来的2 mm增加为3 mm，再进行模态分析，提取机架前6阶固有频率和振型情况如表2所示。

表2 收割机机架优化后机架前6阶固有频率与振型

模态阶数频率/Hz振型描述155.609中部变形280.61前端鼓状变形397.751中部鼓状变形4100.68后端鼓状变形5112.11前端鼓状变形+割刀安装梁扭转6125.6前端鼓状变形+割刀安装梁扭转

机架优化前后模态分析数据对比如表3、图14所示。

表3 优化前后模态分析数据对比

通过对比机架优化前后模态分析的前6阶固有频率可知，割刀安装梁厚度增加1 mm，机架各阶的固有频率均得到提高，改进后的机架最小固有频率为55.609 Hz，避开了可能发生共振的频率。优化后的机架振动特性优于原始结构的振动特性，改进后的机架结构更合理，刚度较高，抗振性能较好。

5 结束语

1)建立收割机的有限元模型并进行模态分析，提取机架的前6阶固有频率和振型。对机架受到的外界激振频率作出共振问题的判断，可知在第1阶固有频率下，机架有可能发生共振问题；

2)对第1阶固有频率下变形较大的部位进行局部优化，增加割刀安装梁厚度再进行模态分析，提取机架前6阶固有频率和振型，通过对比机架优化前后的模态分析数据可知，优化后的机架最小固有频率为55.609 Hz，避开了可能发生共振的频率；

3)改进后的机架振动特性优于原始结构的振动特性，改进后的机架结构更合理，刚度较高，抗振性能较好。分析结果为机架结构的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动态特性的优化设计提供理论依据。

[1] 吴艳英，尹健.基于ANSYS Workbench的自走式山地微型水稻联合收割机结构的有限元分析[J].现代机械，2014(3)：47-50.

[2] 易日.使用ASNSY6.1进行机构动力学分析[M].北京：北京大学出版社，2002:305-314.

[3] 海伦.模态分析理论与实验[M].白化同,郭继忠,译.北京：北京理工大学出版社，2001.

[4] 郑磊，尹健，等. 基于ANSYS的脱粒滚筒模态分析[J].农机化研究，2013(4)：48-51.

[5] 浦广益.ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社，2013.

[6] 黄志新，刘成柱． ANSYS Workbench 14． 0 超级学习手册[M]． 北京: 人民邮电出版社，2013: 214-217.

[7] 二代龙震工作室． Solid Works + motion + simulation 建模/机构/结构综合实训教程[M].北京：清华大学出版社，2009．

[8] 黄天泽.大客车车身[M].长沙:湖南大学出版社，1988:50-165.

Modal analysis and optimization of rice harvester frame based on ANSYS Workbench

WU Yanying，WU Jinxing

The frame of rice combine is the key part of the whole machine, whose design quality is related to the use and manufacture of the whole machine. Modal analysis of rice combine frame was done based on ANSYS Workbench. Natural frequency and mode shape of the front six order were researched, aimed at the frame may produce resonance under the natural frequency, severely damaged parts were optimized and modal analyzed. By the comparison of the two analysis results, showed that the vibration characteristic of the frame is better than the original structure, and the improved frame structure is more reasonable. The analysis results provide a theoretical basis for the vibration characteristic analysis, fault diagnosis and optimal design of dynamic characteristics of the frame.

frame, ANSYS Workbench, modal analysis, optimization

S225.3; S126

A

1002-6886(2016)06-0052-04

贵州理工学院省校联合基金 (黔科合LH字[2014]7367号 )资助项目。

吴艳英(1985-)，女，贵州安顺市人，讲师，硕士研究生。 吴锦行(1983-)，男，福建龙岩人，讲师，硕士研究生，研究方向：车辆工程。

2016-05-23