基于ANSYS Workbench的中耕机力学特性分析

王晓腾

（临猗县第一职业中学，山西 临猗 044100）

中耕是在农作物生长过程中进行的一项田间作业，其主要作用体现在改善土壤结构、增强土壤蓄水能力、消灭杂草和促进有机物分解等方面，中耕作业能在一定程度上改善农作物的生长环境，增加农作物的产量[1]。随着中国农业机械化进程的推进，农业机械已经应用到了农业生产的各个环节，中耕机是中耕作业的主要机械装备之一。

中耕机一般由机架、铲柱和铲头组成[2]，按照不同的中耕作业需求，铲头主要有除草铲、松土铲和培土铲3 个种类，中耕机在工作过程中，根据不同的作业需求更换不同的作业铲头，在3 类铲头中，松土铲所需要的作业功率是最大的[3]。也就是说在松土作业中，中耕机的机身将承受较大的工作载荷[4]，容易使中耕机的机身产生变形甚至损坏。

以某型号中耕机为研究对象，利用ANSYS Workbench 对其在松土作业中的力学特性进行分析，得到了其在松土工作过程中的变形和应力情况，并对其进行了模态分析，为后续中耕机的结构优化提供了数据支持。

1 分析模型

研究对象是一款通用的中耕机，松土作业是其一种工作方式，该中耕机主要由机架、铲柱和铲头组成，中耕机的长度为2 960 mm、宽度为1 300 mm，机架采用100 mm×100 mm×5 mm 的45 号钢方管焊接而成，铲柱由厚度为30 mm 的45 号钢板制成。在工作过程中，每个松土铲受到的阻力为940 N[5]。由于这里只对中耕机的机架和铲柱进行研究，因此分析模型将铲头部分进行了省略。在不影响分析结果的前提下，对机架和铲柱的部分特征进行了简化，分析模型如图1所示。

图1 中耕机分析模型Fig.1 The analysis model of cultivator

2 静力学分析

对于中耕机来说，其工作时的运动可以看成匀速运动，即处于稳态。对于处于稳态的机械结构，静力学分析是一种有效的力学分析方法。

2.1 静力学分析预处理

根据上述的中耕机特征参数，建立三维模型并导入到ANSYS Workbench 中，然后在中耕机的3 个悬挂位置分别施加无摩擦圆柱支撑约束[6]，并在每个铲柱的下端施加940 N的力来模拟中耕机松土作业过程中受到的阻力[7-8]。将中耕机的材料设置为45 号钢。有限元网格的大小限制为5 mm 以下。

2.2 静力学分析结果

划分完网格之后，将分析模型提交求解计算。经过求解计算得到了中耕机的等效应力云图和总变形云图。从等效应力云图中可以看出，在进行松土作业时，中耕机机架的不同部分均出现了较大的应力，特别是悬架与水平架连接位置的应力较大，如图2所示。其中最大应力值为78.5 MPa，该值远小于45 号钢的屈服强度355 MPa，不会发生材料屈服现象，后续可通过增加悬架拉杆的数量来降低悬架与水平架连接位置的应力。

图2 等效应力云图Fig.2 The equivalent force nephogram

图3 是中耕机在进行松土作业时机架的总变形云图，从总变形云图中可以看出，水平架的左右两侧和铲柱的底部均出现了较大的变形，铲柱下端的变形量较大，最大值为1.9 mm。结合等效应力来看，铲柱下端出现较大变形主要是由于机架的变形传递积累在铲柱的下端造成的。

图3 总变形云图Fig.3 The total deformation nephogram

3 模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，模态分析是研究结构动力特性的一种常用方法。由于土壤特性不均匀，中耕机在松土过程中会受到外界随机变化载荷的作用，当这些载荷的频率与中耕机某个模态的频率相接近时，会发生较大的损害。

3.1 模态分析预处理

在ANSYS Workbench 中建立模态分析项目，并将中耕机的静力学分析结果作为模态分析的基本条件，由于一个机械结构具有多个模态，根据实际需要，这里将模态分析的阶数设为6。

3.2 模态分析结果

通过求解计算得到了分析对象的前6 阶的模态情况，前6 阶模态的振动频率见表1，从表中可以看出，分析对象前6阶模态频率的最大值为39.3 Hz，最小值为13.7 Hz，也就是说如果外界施加载荷的频率与这6 阶模态频率相接近的话，分析对象将发生共振损害。

表1 前6阶模态振动频率Tab.1 The vibration frequencies of the first six modes

4 结论

利用ANSYS Workbench 对某中耕机在松土工况下的静力学和模态特性进行分析，通过分析得到以下结论。在额定松土工况下，该中耕机所受的的最大应力78.5 MPa，该值远小于45 号钢的屈服强度355 MPa，设计是安全的。后续可通过增加悬架的数量优化机架的受力情况，降低自身质量。根据模态分析的结果，该中耕机前6 阶模态的振动频率范围是13.7～39.3 Hz，当外界载荷频率在此范围时，应该注意规避前6阶模态的振动频率，否则容易发生共振损害。