基于ANSYSWorkbench对4MZ-3C型采棉机侧壁焊合刚度强度及模态特性的试制前有限元分析

■ 赵杜超 王玉刚 王永政 张治卫

〔山东天鹅棉业机械股份有限公司研发中心，山东济南250032〕

一、引言

4MZ-3C型采棉机侧壁焊合，底部连接采棉机车体基架，顶部连接驾驶室托盘，承载着整车操控系统及驾驶人员的生命安全。鉴于侧壁焊合可靠因素的重要性，笔者基于ANSYSWorkbench对侧壁焊合刚度强度及模态特性进行试制前的有限元分析，希望借此指导优化结构设计，缩短产品的研发周期。

二、侧壁焊合模型的刚度强度分析

（一）有限元基本理论

有限元法结合弹性力学的几何方程、物理方程、平衡方程、边界条件，加之以基于变分法的“化整为零，集零为整”数值方法，以及借助于计算机的强大计算能力，在数天甚至于数小时内即可完成上千阶矩阵方程的求解工作，大大降低了工程人员分析复杂结构性能的工作量。

（二）创建StaticStructural分析项目，并对EngineeringData进行设置，参数如图1所示（结构钢材采用Q345-A）。

自SolidWorks导入三维模型，并进行网格划分。结合笔者计算机性能及工程实际需要，Element size取值为5mm，Nodes规模控制在500万以下。

（三）边界条件及外力状况

A～E为作用的外力，已涵括加速动荷惯量冲击。F为自身重力。G为固定边界：底座和前突出部钢板固定。

（四）方案结果

TotalDeformation：模型最高点悬臂处最大变形量2.9mm。90%的部位变形量控制在1mm以下，符合图纸中对角线变形量不超过4mm的要求。

EquivalentStress：在底部前端个别突兀点出现应力集中情况，可以通过增大倒圆角的办法消除。99%的部分处于90Mpa以下，远小于Q345-A的屈服强度。

（五）小结

考虑到外力施加时已经包括动荷冲击在内的各种极限情况，侧壁焊合在刚度强度方面满足实际工况需求。

三、结构模型的模态特性分析

（一）模态分析基本理论

在无阻尼系统中，结构振动方程如下。

式中：

[M]——质量矩阵；

[K]——刚度矩阵；

{X}——节点位移向量。

设无阻尼自由振动的解为：

式中：

{φi}——第i阶模态形状的特征向量；

ωi——第i阶自然振动频率；

t——时间。

（二）结构低阶模态解析

1.周边结构共振因素。

出于篇幅考量，此处直接给出模态特性计算结果。

侧壁焊合前6阶固有频率依次为：397Hz、713Hz、782Hz、863Hz、970Hz、971Hz。

驾驶室托盘前6阶固有频率依次为：19Hz、23Hz、30Hz、36Hz、41Hz、51Hz。

车体基架前6阶固有频率依次为：9Hz、13Hz、17Hz、21Hz、22Hz、26Hz。

比较三组数据发现，侧壁焊合的前6阶固有频率远高于其余两者，表明在实际工况下结构共振的可能性几乎不存在。

2.外界激励因素。

路面不平度引起的激励，一般路面为1Hz～3Hz；车辆自身调校不良引起的激励，如液压系统、转向系统，一般处于11Hz以内；发动机的激励，频率f=，其中发动机转速nϵ[850，2100]r/min，气缸数M=6，则fϵ[42.5，105]Hz。以此观之，采棉机在正常工作时，侧壁焊合的低阶固有振动频率远大于发动机的激励频率，不会引起共振现象。