懸掛式鏵式犁機(jī)架有限元分析及基于等強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、懸掛式鋅式犁機(jī)架有限元分析及基于等 強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)韓超楊有剛張淑偉西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院摘要：合理的鋅式犁機(jī)架結(jié)構(gòu)可以保證在相同的牽引力作用下拖拉機(jī)能夠拖動(dòng)更大的 犁樺，機(jī)架所用材料更少，同等作業(yè)條件下機(jī)架使用壽命更長(zhǎng)。為此，利用 ansys有限元分析軟件對(duì)經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)合格的懸掛式錚式犁機(jī)架進(jìn)行 靜力學(xué)及靈敏度分析，模擬真實(shí)環(huán)境下的工作狀態(tài)，調(diào)整設(shè)計(jì)并使用基于等強(qiáng) 度的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)不但節(jié)省材料、滿足了設(shè) 計(jì)要求，而且在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大了承載范圍，在相同結(jié)構(gòu)下，改進(jìn)后的機(jī)架能夠 承載更大的載荷。關(guān)鍵詞：錚式犁;有限元;機(jī)架;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì);作

2、者簡(jiǎn)介：韓超（1991-）,男，山東章丘人，碩士研究生，（e-mail）hc_runncr163 com。作者簡(jiǎn)介：楊有剛（1961-），男，西安人，教授，碩士生導(dǎo)師，（e-ma訂） yangyougangnwsuaf. edu. cn。收稿日期：2016-11-22基金：陜西省專項(xiàng)資金項(xiàng)目（k332021313）suspension bottom plow frame finiteelement analysis and optimizationdesign based on equal strengthhan chao yang yougang zhang shuwe icollege o

3、f mechanical and electronic engineering,northwest a&f university;abstract：reasonably designed plow frame structures can ensure the tractor to drag a larger plow under the same traction effect, racks with less material and longer service life under the same operating conditions. in this study, an

4、sys finite el ernent analysis software was used to perform the static analysis and sensitivity amalysis for hanging plow frame to be qualified through actual production test, and adjust the design by simulating the real environment of working condition to optimize the structure based on the met hod

5、of equal strength the results indicated tha t improved chassis could carry 1arger loads in the scime structure after extending the load range on the basis of the original.keyword：bottom plow; finite element; frame; structure optimization; standardized design;received： 2016-11-220引言犁耕是大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的工作環(huán)節(jié)

6、之一，錚式犁是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要農(nóng)機(jī) 具之一。錚式犁工作時(shí)，主要依靠由犁壁與犁錚組成的主犁體曲面對(duì)土壤進(jìn)行入 土、切碎、破碎和土堂翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)in。良好的機(jī)架結(jié)構(gòu)有助于主犁體克服 來(lái)自土壤的粘滯阻力，提升翻堂效率，提升犁體承載能力，提高耕作效率，降 低耕作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，本文利用ansys有限元分析軟件，對(duì)經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn) 實(shí)際檢驗(yàn)合格的懸掛式錚式犁機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)及靈敏度分析，并根據(jù)實(shí)際工作 環(huán)境下的狀態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)，并基于等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以期提供更 實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到保證工作強(qiáng)度需要、降低生產(chǎn)成本的目的。1懸掛式詳式犁1.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析懸掛式錚式犁主要是由三角牽引懸掛裝置、耕深調(diào)節(jié)

7、裝置、機(jī)架及主犁體（幅寬 1 050mm,耕深270mm）組成。其中，機(jī)架主要由三角懸掛牽引裝置、犁臂、固定螺栓及制動(dòng)銷等零件構(gòu)成。機(jī)架梁局采用20x60的板材，主體材料為q235 碳鋼，切變模量為g=8x 1 on/m,機(jī)架梁主要連接方式為焊接。1）懸掛參數(shù):懸掛軸至犁體支撐面的距離h二1.09m,上下懸掛點(diǎn)的距離h尸（犁 架柱高度）懸掛軸長(zhǎng)度l=0. im,兩下懸掛點(diǎn)間距b=0.51m,兩下懸掛點(diǎn)與犁梁 的相對(duì)位置4二0im。2）牽引方式:三禪犁正牽引，在實(shí)際工作中用東方紅x850拖拉機(jī)牽引，速度范 圍v=0. 550. 92m/s,標(biāo)定功率p=62. 5k w,額定轉(zhuǎn)速n=2 400r/

8、min,輸出軸轉(zhuǎn) 速為n=720r/min,動(dòng)力輸出軸最大功率pta =55. 5k w,牽引力為f23. 3k n,計(jì) 算時(shí)取f=23. 3k no1. 2機(jī)架數(shù)據(jù)收集與修正本文所選懸掛式倂式犁機(jī)架梁數(shù)據(jù)來(lái)源于本校機(jī)械與電子工程學(xué)院農(nóng)機(jī)化實(shí)驗(yàn) 室，具體數(shù)據(jù)如圖1所示。圖1懸掛式機(jī)架梁實(shí)體數(shù)據(jù)fig. 1 solid data of suspended frame beam 下 載原圖 實(shí)地可測(cè)的犁體曲面與前進(jìn)方向成32。夾角，犁的梁架高度h是指犁架下表面 至犁底平面的空間高度。為了保證土壤堂片在犁架下翻轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生堆土、堆草現(xiàn) 象。一般依據(jù)矩形土堂的厚度（按最大耕深計(jì)算）與割茬高度的對(duì)角線高度

9、計(jì)算, 即h = ，+ ( % + 防 2 ly其中，b為犁體耕寬;務(wù)執(zhí)為最大耕深;h為割茬高度?？傻脩覓焓藉P式犁空間高度 為h=尸+(%加2 嚴(yán)二 1.09m2簡(jiǎn)化機(jī)架有限元模型2.1模型建立本文采用pro/e軟件建立機(jī)架部分的三維實(shí)體模型及1，如圖2所示。將其導(dǎo)入 到ansys有限元分析軟件中形成cae模型r1，為了準(zhǔn)確模擬懸掛式鋅式犁在工 作過程中機(jī)架的受力狀態(tài)，采用ansys對(duì)其進(jìn)行有限元分析，包括靜力學(xué)及靈 敏度分析。由于在ansys軟件中進(jìn)行分析吋圓角、倒角、小孔及凸臺(tái)等會(huì)降低網(wǎng) 格質(zhì)量，使得計(jì)算數(shù)量急劇增加，所以在本模型屮將有影響的小特征去除。懸掛 式禪式犁機(jī)架采用焊接而成，雖然

10、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，焊縫處又可近似認(rèn)為是剛性 連接;但是，為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及更好地應(yīng)用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，在有限元分析時(shí)把 焊縫單獨(dú)定義。圖 2 導(dǎo)入后機(jī)架的 cad 模型 fig. 2 the frame cad model after import 載原圖根據(jù)機(jī)架材質(zhì)，設(shè)置材料屬性，定義機(jī)架的材料為q235碳鋼hl材料參數(shù)如 表1所示。其中，彈性模量為e=2. llx10n/m,泊松比為二0.3,材料密度為 p =7 850kg/m。下載原表表 1 q235 材料參數(shù) table 1 q235 material parameters彈性模量/pa泊松比質(zhì)量密度/kg * m j抗剪強(qiáng)度/pa2.11

11、xlou0.2747.86 x io38. 24x1010張力強(qiáng)度屈服強(qiáng)度熱擴(kuò)張系數(shù)比熱/pa/pa/m * k"1/j（燉 j3.9x10*2.35 xlo88.0 xlo"64.40 xlo22. 2劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分是線性靜力分析必不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格品質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)結(jié)果的準(zhǔn) 確性有著重要的影響。ansys軟件屮提供了多種網(wǎng)格劃分方法，分別是自動(dòng)劃分 法、四而體劃分法、六而體主導(dǎo)法、掃掠劃分法以及多區(qū)劃分法。為了保證計(jì)算 精度，在本次分析中采用automatic （自動(dòng)劃分法）4-6。在mesh t具欄下載 入method,然后選擇待劃分的體，在窗口中的geometry

12、中單擊apply按鈕，單 擊mesh設(shè)置sizing尺寸控制網(wǎng)格精度，設(shè)置尺寸為3rmn,點(diǎn)擊generate mesh 生成網(wǎng)格，如圖3所示。圖3網(wǎng)格劃分fig. 3 grid division 下載原圖2. 3定義邊界條件在進(jìn)行邊界條件處理時(shí)，一種是不添加任何約束，另一種是根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工 作狀況添加相應(yīng)約束口1。為了準(zhǔn)確模擬錚式犁在工作過程中的受力邊界條件， 保留犁的幾何構(gòu)造，并對(duì)其劃分網(wǎng)格，施加最大耕深時(shí)的邊界條件。此時(shí)最大耕 深a昨二280mm,工作時(shí)拖拉機(jī)以0.5i】/s速度勻速前行，牽引力f二23. 3k n以接觸 壓力的形式加載在犁刀上，3個(gè)犁刀上的力p=7. 767k no另

13、外，考慮到弾式犁在 設(shè)計(jì)作過程中通過三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)與拖拉機(jī)相連，因此在計(jì)算時(shí)對(duì)機(jī)架與拖拉機(jī) 三點(diǎn)懸掛連接處施加固定約束。施加邊界條件后如圖4所示，陰水平面內(nèi)受力 示意圖如圖5所示。圖 4 懸掛式鋅式犁機(jī)架約束圖 fig. 4 suspension type plow frame constraint graph下載原圖圖5懸掛式鐸式犁機(jī)架rxy水平面內(nèi)受力示意圖fig. 5 hanging plow frame rxyhorizontal plane force diagram 下載原圖圖 5 中,r=f=23. 3x ion, r=rxcos 0 =14. 55x ion。3計(jì)算結(jié)果與分析本文

14、主要模擬實(shí)際生產(chǎn)情況中所受到的主要載荷，對(duì)懸掛式錚式犁機(jī)架進(jìn)行有 限元靜力學(xué)和靈敏度分析。3.1靜力學(xué)分析在 solution 屮選擇 deformation>total,在結(jié)構(gòu)樹屮選屮 dcformation total 并求解，可得位移等效云圖，如圖6所示。在樹結(jié)構(gòu)圖中選擇equivalent stress,然后求解可得其應(yīng)變等效云圖如圖7所示，所得的von-mises應(yīng)力云圖 如圖8所示。14296-011 27064)11 111e«01 9 526£*00 79376«00 6 3606 *00 p-4 7626<00c ectour phf

15、e1 3 1756 e0015876-00 00006-00m4i> 1 429e<0lnoae 243793 tan-ooooex)nod* 175748圖6懸掛式詳式犁機(jī)架位移等效云圖fig. 6 suspcnsion type plow frame equivale nt displaceme nt nephogram下載原圖ctour ploteutlc ttrmi(vormttta mid) anilytit tytiemsmpat avtraa2 375e62lhe4n 1848so31584e<n11206-031o56<» 7 91864e5

16、2796xm2 &ooooeoomai 2 375e nod* 274729m>00h)e«o0nod* 175857圖7懸掛式乍牛式犁機(jī)架應(yīng)變等效云圖fig. 7 suspcnsion type plow frame equivalent strain nephogram下載原圖m«d)contour plotamtysn tyittm sample avetmt e 5 0126404 4%6*023898e 畑3 3416x02 7956x0 22386©j-1671exi2l 1 114emj25 6fi9em)1ooooeomaxa60l2

17、exi2 nod# 274729 mn>0cd0e«o0 nodt 175657圖8懸掛式錚式犁機(jī)架von-mises應(yīng)力云圖fig. 8 suspension type p 1 ow frame cquivalent von-miscs stress nephogram 下載原圖由圖6可知:懸掛式錚式犁的最大位移出現(xiàn)在第3個(gè)犁刀上，變形量約為14. 3mm, 主要是由于鋼架扭轉(zhuǎn)造成的。結(jié)合應(yīng)變?cè)茍D可以明顯地看出，這部分位移量是剛 體位移。由圖7可以看出：機(jī)架上的最大應(yīng)變主要出現(xiàn)在肋板連接位置。由圖8可以看出：機(jī)架結(jié)構(gòu)上的大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都較小，集中在55mpa左右， 遠(yuǎn)小于屈

18、服極限235mpao這說明，結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行優(yōu)化的空間很大。另外，最大 應(yīng)力500mpa出現(xiàn)在立板的連接處，是因?yàn)椴捎脛傂赃B接所致，不影響最后結(jié) 果。由于應(yīng)力較大的部位分別位于肋板、前面支架與犁的連接處、右前懸掛連接處， 因此單獨(dú)對(duì)相應(yīng)的3部分進(jìn)行拆分分析。肋板應(yīng)力較人處的云圖如圖9所示，前 機(jī)架應(yīng)力較大處的云圖如圖10所示，懸掛連接處的應(yīng)力云圖如圖11所示。圖9肋板應(yīng)力較大處的等效應(yīng)力云圖fig. 9 the equivalent with strong floor stress nephogram下載原圖圖9中，最大應(yīng)力為285. 43mpao前面支架與犁的連接處應(yīng)力也較人，最大應(yīng)力 為301

19、mpa,如圖10所示;右前懸掛連接處的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為339. 6mpa, 如圖11所示。這3處的應(yīng)力都超過了 q235鋼的屈服極限，存在強(qiáng)度不足的問題, 需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。圖1 °前機(jī)架應(yīng)力較大處等效應(yīng)力云圖fig. 10 the frame stress before a big equivalent stress nephogram下載原圖圖1 1懸掛連接處的等效應(yīng)力云圖fig. 11 the equivalent stress nephogram of hanging junction下載原圖3. 2靈敏度分析為了對(duì)懸掛式鋅式犁機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，首先確定設(shè)計(jì)變量，所以要進(jìn)

20、行靈敏 度分析。這里選取了 12個(gè)設(shè)計(jì)變量，均為懸掛式錚式犁機(jī)架鋼結(jié)構(gòu)的厚度，如 圖12所示。圖1 2懸掛式錚式犁機(jī)架設(shè)計(jì)變量示意圖fig. 12 hanging furrow plough frame design variable map下載原圖 靈敏度分析所用的狀態(tài)變量為最小體積（減重需要）與圖曠圖11中所示危險(xiǎn)區(qū) 域的應(yīng)力（強(qiáng)度需要），最后靈敏度分析如表2所示。下載原表表 2 靈敏度分析表 table 2 sensi ti vi ty analysis tablelabelvolumestressdv_l4.93e +041.63e +00dv_23.82e+04-9.13e -02d

21、v_34.74e +042.68e -02dv_43.74 e +04-5.71e -02dv_52.88e +04-8. 24e -01dv_61.54e +04-8.90e -01dv_75.38e +04-2. 57e -01dv_81.46e +05-4.07e +00dv_92.18e +04-5.07e -06dv_102.70e +043.87 e -02dv_n5.39e +04-2.07e -04dv_125.93e +04-8.18e -01由表2可以看出:變量dv_ll、dv_12、dv_8> dv_7對(duì)最小體積影響較大,而dv_l> dv_12、dv_6 d

22、v_5對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力影響較大。綜合考慮，選取dv_l、dv_7> dv_8、dv.lb dv_12、作為優(yōu)化時(shí)的設(shè)計(jì)變量。4機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析對(duì)懸掛式禪式犁機(jī)架梁基于等強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要考慮靈 敏度影響比較大的因素，在保證設(shè)計(jì)要求的情況下減少用材。所以，在對(duì)懸掛式 鋅式犁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)變量為dv_l> dv_7、dv_8> dv_ll、dv_12,如圖 13所示。圖1 3懸掛式卡華式犁機(jī)架優(yōu)化變量示意圖fig. 13iianging furrow plough frame diagram optimization variables下載原圖約束條件為

23、：圖曠圖11中的應(yīng)力小于屈服極限235mpa0對(duì)懸掛式驊式犁機(jī)架進(jìn)行基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論和目標(biāo)變量設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化， 結(jié)果如表3所示。表3懸掛式鋅式犁機(jī)架尺寸優(yōu)化結(jié)果table 3 the result of hanging furrow plough frame size optimization mm下載原表變量初始厚度下限上限優(yōu)化值dv_l25105010dv_725105010dv_825105034.47dv_u15103010dv_1225105027.33對(duì)優(yōu)化后的懸掛式鋅式犁機(jī)架結(jié)構(gòu)利用pro/e進(jìn)行建模，之后在導(dǎo)入ansys中進(jìn) 行靜力學(xué)分析，為保持條件一致，施加的載荷及邊界條

24、件與未優(yōu)化時(shí)的相同。經(jīng) 靜力分析后，得到的位移云圖如圖14所示，應(yīng)變?cè)茍D如圖15所示，von-mises 應(yīng)力云圖如圖16所示。ooaoeoocontour plotdispucemef4(mdg) andy sis system w-8 289e» b-7 368exd *-6u7e*00 55xemx) 4 6o5exj0 3684eoo 2 763e400 842emd 210eo1mai«8 289e400 node 10g509mmbooooekdnode 247743圖1 4改進(jìn)后懸掛式錚式犁機(jī)架等效位移云圖fig. 14 the improved hangin

25、g furrow plough frame equivalent displacement nephogram下載原圖coceour elaslc an»lymstfnpb averagee8 874e4m7 888c-m6 9o2e/mi5 9i6e-o4i4 990£<m3 944e4mi2 958e<mj"1972e-m 9 8606-05 ooooeoomw8874eoc nodelz3663 mm«ooooeoonod* 24t744圖15改進(jìn)后懸掛式禪式犁機(jī)架等效應(yīng)變?cè)茍Dfig. 15 the improved hanging p

26、low frame strain nephogram 下載原圖contour plotmax 1911e*n0dt1736s3m-ooooe*oo nod* j47744a訕押鉀tmavtraot v-19he«051274e<o 1061e«02 8 492e*01 6 369e*01 4 246e401 2123e«o1 oooqexx)圖1 6改進(jìn)后懸掛式詐式犁機(jī)架等效von-mises應(yīng)力云圖fig. 16 the improved hanging furrow plough frame equivalent von-mises stress nephogram 下 載