聯合整地機牽引機架的有限元分析

康 凱，賈富國*，姜雪松

(1.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030；2.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

聯合整地機的主要承載部件牽引機架，在實際工作中有可能出現彈性變形、斷裂和過大的塑性變形等問題[1-3]。機架的受力情況和幾何形狀比較復雜，而傳統的機架設計主要是應用類比法，結合材料力學和彈性力學相關知識進行強度和剛度的分析[4-8]。這種分析方法只能計算出簡單結構某些部位的應力值，而牽引機架整體的極限位移變化，實際應力值及其分布情況等都是未知的。為了保證牽引機架在工作過程中安全穩定，承載薄弱部位必須滿足剛度和強度的要求。本文利用CATIA分析和仿真模塊對聯合整地機牽引機架進行強度分析，以提高機架的設計效率和質量，為其進一步做優化奠定基礎。

1 機架的結構

1.1 機架的結構

聯合整地機牽引機架是由牽引座、前支臂梁、后支臂梁、橫梁、加強筋、側板等組成，并且呈對稱分布，如圖1所示。其中前支臂梁、后支臂梁、橫梁、加強筋均為冷彎空心矩形管，其它零件材料均為Q235鋼板，連接方式以焊接為主螺栓連接為輔。

2 機架有限元模型的建立

2.1 模型的建立與導入

為了高效的進行有限元模型分析，本文將在CATIA環境下建立的實體模型直接導入CATIA分析和仿真模塊中進行分析。這樣避免了模型接口轉換過程中出現異常狀況，導致分析失敗的可能。為了便于有限元分析，對模型進行如下了簡化：①忽略各處過渡圓角，忽略箱體上所有的螺栓孔。②設各焊接處為理想焊接[9-10]。

圖1 牽引機架的結構示意圖

2.2 定義材料屬性

建立完機架有限元模型之后，運用CATIA提供的材料賦予指令，定義機架各組件的材料屬性。機架是由規格為150×150 mm、150×100 mm、130×130 mm、80×50 mm的矩形管和厚度為14 mm的鋼板焊接而成。Q235B有一定的伸長率、強度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機械零件的制造。機架材料屬性見表1。

表1 機架材料屬性表

2.3 網絡劃分

網格劃分是有限元分析的重要環節。網格劃分的好壞直接關系到有限元分析結果的精度。本文利用CATIA分析模塊中的空間四面體單元自動生成功能，將網格劃分為空間四面體單元，并對局部應力分布較重要的部位進行了網格細化。網格劃分見表2，模型如圖2所示。

表2 機架網格劃分表

圖2 機架網格模型

2.4 創建連接關系及定義連接特性

2.4.1 創建連接關系

牽引機架主要是通過矩形管焊接而成，所以將各梁架間的連接關系定義為線連接。連接板與側板是通過螺紋連接裝配在一起的，各段之間的連接關系為兩個螺紋孔同心及接觸面的重合，通過裝配模塊中的約束可方便而快速的創建面連接關系。機架的線面連接關系如圖3所示。

圖3 機架連接關系

2.4.2 定義連接特性

連接特性的創建以連接關系為基礎。焊縫連接為牽引機架的主要連接特性。為了達到以最小的計算量獲得較高的計算精度，本文將螺紋連接處理為虛擬螺紋連接，該連接特性的特點是不用建立螺栓，可真實的反應螺紋連接的特點。該連接特性以同心約束為基礎連接關系。機架連接特性如圖4所示。

注：紅色代表焊縫連接；黑色代表虛擬螺紋連接。

2.5 約束施加約束和載荷

2.5.1 施加約束

有限元工程分析的目的是避免機架在實際工作中出現變形、斷裂和過大的塑性變形等現象。在確定約束條件時，既要保證結構不做剛體位移，使方程可以求解，又不至于由于附加不正確的約束得出錯誤的結果。牽引機架的約束主要是固定側板，即將側板的X、Y、Z、ROTX、ROTY和ROTZ方向固定。

2.5.2 施加載荷

聯合整地機牽引機架在作業時承受的主要載荷有：機架重力G、土壤對機架的等效支反力N、拖拉機對機架的牽引力F、土壤對機架的等效阻力P等。機架重力G和等效支反力N是一組平衡力系，經過預備性試驗測得，與聯合整地機具配套的220 KW拖拉機在前進速度為9 km/h時的牽引力FN=80.55 KN。聯合整地機工作時，土壤對機架的等效阻力P為觸土工作部件深松鏟、圓盤耙片、和合墑圓盤同時作業時所受的土壤阻力，圓盤耙、深松鏟和合墑盤的牽引阻力分別為

F圓盤耙=kb×a1×l。

式中：kb為圓盤耙的工作比阻，N/cm2；a1為耙深，cm；l為工作幅寬，cm；k深松鏟的工作比阻，N/cm2；a2最大耕深，cm；m1為深松鏟個數；b為當量耕寬，cm；kh為合墑盤的工作比阻，N/cm2；a3為合墑深度，cm。

機架的牽引力

F=FN-F圓盤耙-F深松鏟-F合墑盤。

計算得出F=20.25 KN。

圖5 作業時載荷分布

在實際結構中，作用在牽引板銷軸上的載荷屬于集中載荷，作用點為牽引板的銷孔，分布力的方向為沿銷孔表面的法向。作業時機架的載荷分布如圖5所示。

3 模型檢查與靜態分析

3.1 模型檢查

利用CATIA結構分析中的模型檢查對前處理過程進行檢查。模型檢查結果如圖6所示。結果表明牽引機架模型網格劃分良好，連接關系正確。

圖6 模型檢查結果

3.2 靜態分析

3.2.1 應力分析

本文采用的Von Mises等效應力是按第四強度理論確定的

式中：σ1、σ2、σ3為主應力，且有σ1>σ2>σ3，當σeq>[σ]時材料失效。

繼續運行程序進行計算，分析求解和分析后處理得到Mises應力云圖，如圖7所示，機架的位移變形云圖如圖8所示。

圖7 機架的應力云圖

3.2.2 位移分析

圖8 機架的位移變形云圖

由圖7及圖8可知，由于牽引載荷的作用，牽引座處是應力與變形較大的位置，機架其他部分的應力都比較小且分布較為均勻。在牽引銷孔附近及焊縫邊緣的局部位置出現了最大應力與最大變形。其最大應力為12 MPa，最大變形量為0.5 mm。

4 結 論

(1)聯合整地機牽引機架最大應力遠遠小于材料的許用應力，滿足強度和剛度要求條件。

(2)靜態分析結果表明，設計的聯合整地機牽引機架能夠滿足工作要求，結構還具有較大的優化潛力。

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