基于ANSYS水稻覆膜直播机机架的有限元分析

丁建梅 胡永冉 丁建华 徐海峰 袁洪栋

摘 要：为使水稻覆膜直播机的机架满足覆膜直播工作的承载要求，避免机架变形过大影响覆膜平整度，同时为避免机架与发动机等激振源发生共振现象，利用ANSYS软件对水稻覆膜直播机机架进行静力学分析以及模态分析。通过对3种材质的机架进行静力学分析，根据分析结果进行综合评估，材质Q235的机架为最优。在对Q235机架进行模态分析中，获得机架的前六阶固有频率。将主要激振源的激振频率与机架的前六阶固有频率进行比较，其结果说明机架工作中不会发生共振现象。最后通过田间试验验证所设计机架能满足覆膜直播作业的要求。

关键词：水稻覆膜直播机;静力学分析;模态分析;田间试验

Abstract：In order to make the frame of the rice mulching direct seeding machine meet the load-bearing requirements of the mulching direct seeding work， avoid excessive deformation of the frame and affect the flatness of the cover， and to avoid resonance between the frame and the excitation source such as the engine， ANSYS is used to perform static analysis and modal analysis on the rice mulching direct seeding machine frame. Through static analysis of three material frames and comprehensive evaluation based on the analysis results， the frame of material Q235 is the best. In the modal analysis of the Q235 rack， the first six natural frequencies of the rack are obtained. The excitation frequency of the main excitation source is compared with the first six natural frequencies of the rack， and the comparison results show that the resonance phenomenon does not occur in the work of the rack. Finally， field tests verify that the designed frame can meet the requirements of the mulching direct seeding operation.

Keywords：Rice mulching direct seeding machine; static analysis; modal analysis; field trial

0 引言

目前，水稻作为主要粮食中的三大部分组成之一，其种植面积占世界粮食种植面积的1/5。在我国的东北三省，春季时期的气候相较于其他南方省份来说偏干燥和寒冷，而水稻覆膜技术可以很好地解决这一问题。水稻覆膜技术中所用的粘有水稻种子的可降解膜，对土壤能起到保温、保墒作用。此外，还能减少病虫害、有效除草和高效节水[1]。但目前水稻覆膜直播过程中机械化水平較低，严重限制了水稻的种植生产效率[2]。

水稻覆膜直播机械化作业对于提高水稻种植效率、降低成本和减轻种植户劳动强度等具有重要意义[3-5]。因而，研究设计出一种水稻覆膜直播机具十分重要。在水稻覆膜直播机研究设计过程中，机架作为整个机器的承重机构，它承载着展平装置、覆膜装置以及镇压装置等结构，故机架要满足其覆膜直播工作的承载要求，应具备足够的刚度和强度。机架的变形会导致种膜的展平度变差，甚至会发生断膜的现象，进而影响覆膜效果以及水稻的出苗率。本研究通过对所设计机架进行仿真分析以及田间试验，验证了其能满足作业要求，为机架的结构优化设计提供了理论依据。

1 水稻覆膜直播机机架结构建模

1.1 结构模型的建立

机架主体主要由方管焊接而成。机架长为720 mm，宽为2 750 mm，高为620 mm。在Solid Works中建模，如图1所示。

1.2 分析前处理

机架主要承受各工作部件以及自身的重力。此外，在覆膜直播工作过程中，机架同时受来自镇压辊的拉力。仿真过程中，将机架简化为横梁以及竖梁组成的结构。假定机架模型为一整体，将机架模型从Solid Works中导入至Workbench中，进行材料属性的设置。其材料属性参数见表1。

将机架模型导入分析模块，进行网格划分，网格划分方法采用四面体划分法。网格划分情况为：Q235机架共有775 674个节点，432 279个单元;铝合金和不锈钢机架各有774 851个节点、431 729个单元。

2 静力学分析

2.1 施加约束与载荷

在对机架模型进行仿真分析时，确定正确的边界条件来限制其位移是获得较高精度求解结果的前提[6]。仿真分析中，在机架上部的耳板上施加固定约束。设机架自身重力为均布载荷，其他施加在机架上的载荷为集中载荷，且施加在各自的设计位置上[7]。

经研究，整体机架所承受的载荷主要有两方面：一是机架自身重力及各覆膜工作部件重力对机架的作用，其中粘附有水稻种子的种膜卷对机架也有重力作用，种膜卷安装在覆膜辊上;二是镇压辊在受到前进阻力时机架立梁受到的拉力。其余诸如带立式座轴承及螺栓等零件的重力作用影响较小，可忽略不计。机架及各部分工作部件质量见表2。

2.2 求解分析

在将约束与载荷施加完成后，分析得到机架的变形云图如图2所示，应力云图如图3所示。

由图2可知，Q235机架的最大变形量为2.628 7 mm，最大变形处位于后横梁的中间部位;铝合金机架的最大变形量为5.581 mm，最大变形处位于左侧立梁下方部位;不锈钢机架的最大变形量为3.276 3 mm，最大变形处位于后横梁的中间部位。

由图3可知，Q235机架最大应力值为188.15 MPa，铝合金机架最大应力值为167.8 MPa，不锈钢机架最大应力值为257.57 MPa，

根据材料属性可知Q235钢的屈服强度为σb=235 MPa，铝合金的屈服强度σb=195 MPa，不锈钢的屈服强度σb=440 MPa。根据使用情况，可取安全系数n=1.2，由公式（5）经计算得出其各自的许用应力分别为195、162.5、366.7 MPa。

在机架结构相同条件下，Q235、铝合金以及不锈钢机架质量分别为169.13、66.66、204.55 kg。但铝合金和不锈钢材料的价格均高于Q235。综上，强度方面，Q235和不锈钢材质机架强度满足使用要求，铝合金材质机架不满足使用要求;重量方面，铝合金机架重量最小，Q235次之;经济方面，Q235材料价格最低，经济适用。故选择Q235作为机架材料。

3 机架模态分析

3.1 模态分析介绍

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态参数可以由计算或试验分析获得，这样一个计算或试验分析的过程就叫作模态分析[8]。

在模态分析中，振动频率和模态由方程（6）计算求解：

式中：[K]为刚度矩阵;[M]为质量矩阵;ωi为振动频率;φi为模态。

3.2 模态分析结果

在对机架进行模态分析时，高阶振型对其结构动力学影响较小[9]，故主要分析前六阶频率。进行仿真后，得到机架的前六阶模态参数，其中包括机架固有频率、振型以及最大变形量，见表3。

针对水稻覆膜直播机，引起其机架振动的振源因素由牵引装置发动机工作时产生的振动以及机器在工作时作业地面平整度不一而引起的振动等。其中发动机对机架的振动影响主要考虑爆发激励频率[10-12]，计算公式为：

水稻覆膜直播机牵引拖拉机为直列四缸四冲程的柴油发动机，额定转速为2 400 r/min，将发动机的相关参数代入公式（7）可得发动机在正常工作情况下的激励频率是80 Hz，这一频率高于机架的前六阶固有频率。因此拖拉机的发动机产生的振动不会与机架造成共振。

4 田间试验

通過与生产方协调，生产出所设计的整机机器。而后进行田间试验，检验所设计机架对膜平整度的影响，并验证机架能否满足要求。

4.1 种膜平整度测定

通过进行田间试验，测定并计算出了3种不同链轮转速下的种膜平整度。种膜展平度（δ）通过以下公式计算[13]：

根据试验现场效果以及数据结果看，机器所覆种膜未出现断膜、雍膜现象，覆膜效果良好。此外3次试验的种膜展平度平均值为95.17%，符合覆膜要求。

4.2 穴距、行距和穴粒数测定

在水稻覆膜直播机完成铺膜作业后，要对铺膜后的种膜的相关参数进行测定，以此来评价水稻覆膜直播机的直播效果。测定的项目包括穴距、行距和穴粒数，测定数据见表5。

根据表5中的试验数据可知，穴距、行距没有发生变化，水稻覆膜直播机的作业情况良好，但有水稻种子丢失的现象发生。经分析，造成水稻种子丢失现象发生的原因是种膜在运输以及覆膜过程中水稻种子发生脱胶现象。该问题可通过完善种膜的运输过程以及调节种子的黏胶方式来解决[14]。

5 结论

通过ANSYS Workbench软件对水稻覆膜直播机的机架部分进行了有限元静力学分析，得到了机架的应力云图与变形云图。通过以强度、质量和价格等方面的衡量尺度，对3种不同材质的机架进行比较分析，确定了最优机架为Q235机架。然后，通过对Q235机架的模态分析，得到了机架的前六阶固有频率与振型云图。进一步分析了影响机架的主要振动因素为发动机引起的振动，将产生振动的主要振源与机架的固有频率相比对，发现机架模型避开了发动机爆发频率以及路面激励频率，从而确定了机架不会发生共振。此外，通过对整机的田间试验验证了其工作性能，也测定了种膜的展平度。试验结果表明种膜展平度符合要求，机器工作性能良好。

【参 考 文 献】

[1]张玉良. 水稻机械覆膜装置研究的重要意义与现状[J]. 吉林农业， 2014，6（6）： 52.

ZHANG Y L. Significance and status of rice mulching machinery [J]. Jilin Agriculture， 2014，6（6）： 52.

[2]王帅. 2BD水稻种膜覆膜直播机性能试验[J]. 农业科技与装备， 2018，6（6）： 18-19.

WANG S. Performance test of film mulching direct seeding machine for 2BD rice seed[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment， 2018， 6（6）： 18-19.

[3]邹春秀. 水稻机械覆膜直播种植技术的引进与推广[J]. 农业工程技术， 2018， 38（8）： 40.

ZOU C X. Introduction and promotion of rice mechanical mulching direct seeding planting technology [J]. Agricultural Engineering Technology， 2018， 38（8）： 40.

[4]张亚男. 水稻覆膜旱作的节水增产机理与优化措施[D]. 北京： 中国农业大学， 2017.

ZHANG Y N. Mechanism of saving water and increasing yield and optimization of management in ground cover rice production system[D]. Beijing： China Agricultural University， 2017.

[5]马军民， 赵武云， 戴飞， 等. 全覆膜直插式穴播机的设计与试验[J]. 林业机械与木工设备， 2018， 46（6）： 28-31.

MA J M， ZHAO W Y， DAI F， et al. Design and experiment of a direct insert hill-seeder with whole plastic film mulching[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018， 46（6）： 28-31.

[6]赵武云， 吴劲锋， 张锋伟， 等. 三轮农用运輸车机架动静态特性分析[J]. 农业机械学报， 2005， 36（11）： 29-33. ZHAO W Y， WU J F， ZHANG F W， et al. Analysis of static and dynamic characteristics for three-wheel vehicle frame[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2005， 36（11）： 29-33.

[7]张万仁， 张洪江， 杨丹. 水稻节水覆膜装置的研制[J]. 农业与技术， 2015， 35（1）： 69-71.

ZHANG W R， ZHANG H J， YANG D. Development of a film-covered water-saving device for rice [J]. Agriculture and Technology， 2015， 35（1）： 69-71.

[8]丁欣硕. ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通[M]. 北京： 清华大学出版社， 2017.

DING X S. ANSYS Workbench 17.0 finite element analysis from entry to mastery [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2017.