基于ADAMS和ANSYS的籽棉裝載機懸臂機構的研究

摘要：在棉花收獲期間，籽棉裝載機作為轉運和裝載工具，發揮著十分重要的作用。而其在工作過程中，籽棉裝載機舉升機構處于疲勞強度大的狀態。針對上述問題，本文運用ADAMS和ANSYS聯合分析方法對籽棉裝載機懸臂進行機構運動和強度分析。首先利用ADAMS進行動力學分析，獲得各構件的動力學參數隨時間變化的曲線，特別是舉升機構在鉸接處的受力信息，然后把ADAMS仿真獲得的鉸接處載荷信息作為各結構件有限元分析的邊界條件，對結構件進行強度分析。仿真結果驗證了初始設計的可行性，確立了在物理樣機設計中的關鍵設計參數，為進一步的優化設計和強量化設計提供了依據。

關鍵詞：籽棉裝載機 虛擬樣機 ADAMS ANSYS

0 引言

新疆是我國棉花的主要種植區，在棉花收獲期間，大量的籽棉需要裝載機具運輸，籽棉裝載機作為籽棉轉運和裝載工具之一，發揮著非常重要的作用。為了在設計開發階段全面分析籽棉裝載機在任意運動狀態下各零部件受力情況，采用ADAMS虛擬樣機技術，建立籽棉裝載機懸臂機構的ADAMS模型，對其進行動力學分析，確定液壓缸工作載荷及各鉸接處得受力信息，為液壓系統設計及結構件有限元靜力結構分析提供依據，然后把ADAMS仿真獲得的鉸接處受力信息作為結構件有限元分析的邊界條件，對結構件進行強度分析。籽棉裝載機基本結構(如圖1所示)。

1 ADAMS動力學仿真

1.1 建立模型 在ADAMS中建立模型主要兩種方式：①利用ADAMS/View中的建模模塊可以直接建立簡單的模型，該方法可以參數化建模，但建立復雜的模型較為困難。②利用CAD軟件（Pro/E，UG，Solidworks等）建模，然后以相應的格式導入ADAMS中。由于籽棉裝載機結構復雜，零件較多，利用ADAMS/View直接建模比較困難，所以采用第二種方法。

1.2 樣機模型的抽象 ADAMS在進行運動學、動力學求解時，只考慮零件的質心和質量，而對零件的外部形狀不與考慮，因此，將籽棉裝載機舉升機構的樣機模型抽象成（如圖2所示）的等效模型，該模型既為舉升的原理機構模型。

圖（2）以機車的正中面與支撐臂處的鉸接點O點為原點建立直角坐標系。A1E1為油缸A1D1為拉桿，在A1、A2機車與鉸支座鉸接，在B1、B2懸臂與支撐臂鉸接，在D1、D2液壓缸端部耳環與懸臂鉸接。G1、G2為懸臂1質心舉升前后的變化；G2、G2＇為懸臂2質心舉升前后的變化；G、G＇為籽棉抓斗質心舉升前后的變化。A1A1C1C2 B2A2為舉升機構舉升前的位置，A1B1F1F2B2A2為舉升機舉升后的位置。

1.3 關鍵位置參數的確定 籽棉裝載機有兩個懸臂，共同承擔籽棉抓斗與籽棉重量，且對稱分布。根據具體問題，通過對其中一懸臂進行優化。確定坐標原點O后，舉升機構設計的關鍵點為A1D1根據作圖法或經驗法確定各個點的初始值，然后進行優化。計算得到各點初始位置的坐標位置如下：XA1=135 YA1=100 XD1=1000 YD1=1000

1.4 仿真分析 經過仿真分析得到液壓缸端部耳環與懸臂鉸接點的受力曲線（如圖3所示）。

通過分析得到:液壓油缸最大舉升力值：46675N；液壓油缸初始舉升力值：41868N；油壓波動系數：0.115。

2 特定工況下的有限元靜力結構分析

2.1有限元模型建立與網格劃分 三維CAD模型通過ANSYS—Pro/E接口轉換。ANSYS軟件安裝選項中包含于Pro/E軟件接口模塊“Connection for pro/Engineer”，單元類型選用SOLID45單元，密度為7800kg.m3，楊氏模量為207Gpa，泊松比0.3。網格劃分采用自由（Free）網格劃分，懸臂有限元（如圖4所示）

2.2 約束與載荷處理 懸臂受力主要是籽棉與抓斗的重力、液壓缸對懸臂的作用力、支撐架對懸臂的作用力。根據彈性力學可知，拉力在圓柱內的分布按余弦規律。為真實模擬懸臂受力載荷，得到準確應力分布結果，對于籽棉與抓斗的重力、液壓缸對懸臂的作用力本文運用ANSYS中的函數功能，通過函數編輯器將載荷按照余弦形式施加到計算機模型上。

利用函數功能施加余弦分布載荷時，函數表達式應為Pm=cos(θ-α)的形式，Pm為虛線余弦分布載荷的峰值，α為峰值方向與X軸夾角。

2.3 有限元分析結果 懸臂靜態節點力（如圖5所示），懸臂靜態位移（如圖6所示），通過分析可知，此工況下懸臂的應力最大值為62.949Mpa，小于材料的許用應力；位移最大值為0.1916×10-2mm，應力最大值出現在在懸臂與耳環連接處，實際運行中也是此處比較容易破壞。因此，在這些部位可以采用增加筋板等措施，以加強該部位的強度。

3 結論

以籽棉裝載機懸臂機構為研究對象，利用三維CAD軟件Pro/E、多體動力學軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS，對籽棉裝載機懸臂機構進行了多體動力學分析并對懸臂舉升機構進行了優化和特定工況下有限元結構分析。分析結果表明：產品設計方案合理，具有良好的可裝配性；最大應力滿足要求，安全可靠。

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作者簡介：

柳力文（1979-），女，山東萊西人；研究生，研究方向：計算機應用。

基金項目：新疆石河子市工業科技攻關項目。

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