懸掛式鏵式犁機架有限元分析及基于等強度的優(yōu)化設計

1、懸掛式鋅式犁機架有限元分析及基于等 強度的優(yōu)化設計韓超楊有剛張淑偉西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院摘要：合理的鋅式犁機架結構可以保證在相同的牽引力作用下拖拉機能夠拖動更大的 犁樺，機架所用材料更少，同等作業(yè)條件下機架使用壽命更長。為此，利用 ansys有限元分析軟件對經(jīng)過長期生產(chǎn)實際檢驗合格的懸掛式錚式犁機架進行 靜力學及靈敏度分析，模擬真實環(huán)境下的工作狀態(tài)，調(diào)整設計并使用基于等強 度的設計方法優(yōu)化結構。結果表明：改進后的機架結構不但節(jié)省材料、滿足了設 計要求，而且在原基礎上擴大了承載范圍，在相同結構下，改進后的機架能夠 承載更大的載荷。關鍵詞：錚式犁;有限元;機架;結構優(yōu)化;標準化設計;作

2、者簡介：韓超（1991-）,男，山東章丘人，碩士研究生，（e-mail）hc_runncr163 com。作者簡介：楊有剛（1961-），男，西安人，教授，碩士生導師，（e-ma訂） yangyougangnwsuaf. edu. cn。收稿日期：2016-11-22基金：陜西省專項資金項目（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 具之一。錚式犁工作時，主要依靠由犁壁與犁錚組成的主犁體曲面對土壤進行入 土、切碎、破碎和土堂翻轉來實現(xiàn)作業(yè)in。良好的機架結構有助于主犁體克服 來自土壤的粘滯阻力，提升翻堂效率，提升犁體承載能力，提高耕作效率，降 低耕作者的勞動強度。因此，本文利用ansys有限元分析軟件，對經(jīng)過長期生產(chǎn) 實際檢驗合格的懸掛式錚式犁機架進行靜力學及靈敏度分析，并根據(jù)實際工作 環(huán)境下的狀態(tài)調(diào)整設計，并基于等強度的設計方法進行優(yōu)化結構，以期提供更 實用的設計方案，達到保證工作強度需要、降低生產(chǎn)成本的目的。1懸掛式詳式犁1.1基礎結構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、機架及主犁體（幅寬 1 050mm,耕深270mm）組成。其中，機架主要由三角懸掛牽引裝置、犁臂、固定螺栓及制動銷等零件構成。機架梁局采用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,上下懸掛點的距離h尸（犁 架柱高度）懸掛軸長度l=0. im,兩下懸掛點間距b=0.51m,兩下懸掛點與犁梁 的相對位置4二0im。2）牽引方式:三禪犁正牽引，在實際工作中用東方紅x850拖拉機牽引，速度范 圍v=0. 550. 92m/s,標定功率p=62. 5k w,額定轉速n=2 400r/

8、min,輸出軸轉 速為n=720r/min,動力輸出軸最大功率pta =55. 5k w,牽引力為f23. 3k n,計 算時取f=23. 3k no1. 2機架數(shù)據(jù)收集與修正本文所選懸掛式倂式犁機架梁數(shù)據(jù)來源于本校機械與電子工程學院農(nóng)機化實驗 室，具體數(shù)據(jù)如圖1所示。圖1懸掛式機架梁實體數(shù)據(jù)fig. 1 solid data of suspended frame beam 下 載原圖 實地可測的犁體曲面與前進方向成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，不產(chǎn)生堆土、堆草現(xiàn) 象。一般依據(jù)矩形土堂的厚度（按最大耕深計算）與割茬高度的對角線高度

9、計算, 即h = ，+ ( % + 防 2 ly其中，b為犁體耕寬;務執(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 嚴二 1.09m2簡化機架有限元模型2.1模型建立本文采用pro/e軟件建立機架部分的三維實體模型及1，如圖2所示。將其導入 到ansys有限元分析軟件中形成cae模型r1，為了準確模擬懸掛式鋅式犁在工 作過程中機架的受力狀態(tài)，采用ansys對其進行有限元分析，包括靜力學及靈 敏度分析。由于在ansys軟件中進行分析吋圓角、倒角、小孔及凸臺等會降低網(wǎng) 格質(zhì)量，使得計算數(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 式禪式犁機架采用焊接而成，雖然

10、結構較為簡單，焊縫處又可近似認為是剛性 連接;但是，為了數(shù)據(jù)準確性及更好地應用等強度設計方法，在有限元分析時把 焊縫單獨定義。圖 2 導入后機架的 cad 模型 fig. 2 the frame cad model after import 載原圖根據(jù)機架材質(zhì)，設置材料屬性，定義機架的材料為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抗剪強度/pa2.11

11、xlou0.2747.86 x io38. 24x1010張力強度屈服強度熱擴張系數(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環(huán)節(jié)，網(wǎng)格品質(zhì)的優(yōu)劣對結果的準 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，分別是自動劃分 法、四而體劃分法、六而體主導法、掃掠劃分法以及多區(qū)劃分法。為了保證計算 精度，在本次分析中采用automatic （自動劃分法）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設置sizing尺寸控制網(wǎng)格精度，設置尺寸為3rmn,點擊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定義邊界條件在進行邊界條件處理時，一種是不添加任何約束，另一種是根據(jù)結構的實際工 作狀況添加相應約束口1。為了準確模擬錚式犁在工作過程中的受力邊界條件， 保留犁的幾何構造，并對其劃分網(wǎng)格，施加最大耕深時的邊界條件。此時最大耕 深a昨二280mm,工作時拖拉機以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個犁刀上的力p=7. 767k no另

13、外，考慮到弾式犁在 設計作過程中通過三點懸掛系統(tǒng)與拖拉機相連，因此在計算時對機架與拖拉機 三點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計算結果與分析本文

14、主要模擬實際生產(chǎn)情況中所受到的主要載荷，對懸掛式錚式犁機架進行有 限元靜力學和靈敏度分析。3.1靜力學分析在 solution 屮選擇 deformation>total,在結構樹屮選屮 dcformation total 并求解，可得位移等效云圖，如圖6所示。在樹結構圖中選擇equivalent stress,然后求解可得其應變等效云圖如圖7所示，所得的von-mises應力云圖 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懸掛式乍牛式犁機架應變等效云圖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懸掛式錚式犁機架von-mises應力云圖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個犁刀上，變形量約為14. 3mm, 主要是由于鋼架扭轉造成的。結合應變云圖可以明顯地看出，這部分位移量是剛 體位移。由圖7可以看出：機架上的最大應變主要出現(xiàn)在肋板連接位置。由圖8可以看出：機架結構上的大部分結構的應力都較小，集中在55mpa左右， 遠小于屈

18、服極限235mpao這說明，結構可以進行優(yōu)化的空間很大。另外，最大 應力500mpa出現(xiàn)在立板的連接處，是因為采用剛性連接所致，不影響最后結 果。由于應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， 因此單獨對相應的3部分進行拆分分析。肋板應力較人處的云圖如圖9所示，前 機架應力較大處的云圖如圖10所示，懸掛連接處的應力云圖如圖11所示。圖9肋板應力較大處的等效應力云圖fig. 9 the equivalent with strong floor stress nephogram下載原圖圖9中，最大應力為285. 43mpao前面支架與犁的連接處應力也較人，最大應力 為301

19、mpa,如圖10所示;右前懸掛連接處的應力較大，最大應力為339. 6mpa, 如圖11所示。這3處的應力都超過了 q235鋼的屈服極限，存在強度不足的問題, 需要進行補強處理。圖1 °前機架應力較大處等效應力云圖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靈敏度分析為了對懸掛式鋅式犁機架結構進行優(yōu)化，首先確定設計變量，所以要進

20、行靈敏 度分析。這里選取了 12個設計變量，均為懸掛式錚式犁機架鋼結構的厚度，如 圖12所示。圖1 2懸掛式錚式犁機架設計變量示意圖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中所示危險區(qū) 域的應力（強度需要），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對最小體積影響較大,而dv_l> dv_12、dv_6 d

22、v_5對危險區(qū)域的應力影響較大。綜合考慮，選取dv_l、dv_7> dv_8、dv.lb dv_12、作為優(yōu)化時的設計變量。4機架結構的優(yōu)化分析對懸掛式禪式犁機架梁基于等強度標準化設計方法進行結構優(yōu)化，主要考慮靈 敏度影響比較大的因素，在保證設計要求的情況下減少用材。所以，在對懸掛式 鋅式犁進行結構優(yōu)化時，設計變量為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中的應力小于屈服極限235mpa0對懸掛式驊式犁機架進行基于等強度設計理論和目標變量設計方法進行優(yōu)化， 結果如表3所示。表3懸掛式鋅式犁機架尺寸優(yōu)化結果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對優(yōu)化后的懸掛式鋅式犁機架結構利用pro/e進行建模，之后在導入ansys中進 行靜力學分析，為保持條件一致，施加的載荷及邊界條

24、件與未優(yōu)化時的相同。經(jīng) 靜力分析后，得到的位移云圖如圖14所示，應變云圖如圖15所示，von-mises 應力云圖如圖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改進后懸掛式錚式犁機架等效位移云圖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改進后懸掛式禪式犁機架等效應變云圖fig. 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改進后懸掛式詐式犁機架等效von-mises應力云圖fig. 16 the improved hanging furrow plough frame equivalent von-mises stress nephogram 下 載