基于Solidworks的玉米收獲機割臺框架的疲勞分析

房樂堂　李永奎

摘要：以Solid works軟件為工具建立玉米收獲機割臺框架的三維模型，以由于路面不平而引起的不規則振動為激勵，利用Solid works Simulation對玉米收獲機割臺框架進行靜力分析，獲取到關鍵部位的應力、應變強度等相關信息；同時以靜力分析為基礎，根據Q235鋼材料的疲勞曲線對割臺框架進行疲勞分析，得到損壞圖解等相關數據。其結果在理論上對于以后進行同類產品的設計、檢驗、改進及安全評估具有一定的參考價值。

關鍵詞：割臺框架；靜力分析；疲勞分析；Solid works

中圖分類號：S225.5+1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0030-03

玉米是世界上栽培歷史悠久的糧食作物之一，其每年的種植面積約為1.3億hm2，總產量約為6億t，占全球糧食總量的35%。近幾年來，隨著農業機械化的迅速發展，農業收獲機械所面對的載荷不斷增多、增大。特別是玉米收獲機所面對的路況不斷復雜化，迫使設計標準的安全系數也不斷下降。割臺作為玉米收獲機的核心部件，這些因素也使其疲勞時效事故的可能性不斷增加。對于長期承受交變重載的設備，除了考慮靜強度和振動外，疲勞分析也是掌握設備運行狀態及使用壽命的重要手段。

1 玉米收獲機割臺框架三維有限元模型

由Solid works建立玉米收獲機割臺框架的三維模型（如圖1所示）。割臺框架主要由絞龍裝配體、割臺大臂及割具承重臺組成。割臺經割臺大臂上的圓盤狀軸承座與機身通過螺栓所連接，割具焊接在割臺承重臺上（如圖2所示）。

該割臺框架所采用的材料是Q235鋼，彈性模量E=210×105 MPa，泊松比μ=0.288，屈服強度σ=235 MPa，主要結構通過型材與鋼板焊接而成，該材料常用于大型機械、橋梁等。

2 靜力分析

Solid works Simulation是嵌入在Solid works里的有限元分析模塊，其主要包括靜力學分析和動力學分析。靜力學分析是疲勞分析的基礎，通過靜力分析結果獲取危險位置及其應力特點，從而對這些危險位置進行疲勞校核。

靜力學分析主要分為7個步驟：1） 定義算例屬性。由于割臺框架與機身是通過螺栓鏈接，所以定義摩擦系數為0.05；靜力學分析屬于線性分析，所以將大型位移選項擦除；迭代解算器選擇FFE Plus。2） 定義零件材料。定義零件材料Q235鋼，屈服強度σ=235 MPa，應用材料到所有。3） 定義連接以及零部件接觸方式。由于收獲機割臺與玉米收獲機機身是通過螺栓連接，所以連接方式選擇螺栓連接；由于機身固定不動，所以將機身簡化成兩塊掛板，將收獲機割臺框架通過螺栓掛接在掛板上來模擬割臺與機身的連接；螺栓選擇GB 5783—86中的M 20×90 mm，預緊力矩1 000 N·m，摩擦系數0.2；零部件接觸方式選擇全局接觸中的結合（無縫隙），同時勾選不兼容網格。4） 定義夾具。由于機身固定不動，所以將兩個掛板外面固定幾何體。5） 加載外部載荷。由于割臺框架與機身是通過螺栓連接，所以路面不平對割臺框架的激勵是加載在大臂軸上的，選取最差路況時路面對機身的激勵，慣性力為9 996.4 N，方向為選定的方向（垂直于基準面）向下。6） 劃分網格。劃分網格之前需要對網格參數進行設置，勾選基于曲率的網格、最大單元大小60 mm、最小單元大小12 mm、周中最小單元數8個、單元大小增長比率1.6；同時對絞龍進行網格控制，絞龍網格部分單元大小20 mm、比率1.5，網格劃分結果如圖3所示。7） 運行并查看結果。結果如圖4和圖5所示。

由圖4可知：超出屈服極限的應力位于螺栓頭和螺母聯接部位的附近。由于這是假定螺栓接頭的位置，因此這個部位的應力集中屬于應力奇異點，是不真實的，將它忽略。由圖5可知：遠離應力奇異點區域的應力都遠遠小于屈服極限。

3 疲勞分析

物體的疲勞是指在一定載荷下，經過特定載荷循環周期后，物體的疲勞失效。由于玉米收獲機在田間工作時會受到地面對它的振動激勵，從而產生慣性力，而這些慣性力在循環一定的周期后可能對機器產生疲勞失效，所以疲勞分析是十分必要的。Solid works Simulation軟件對單個零件的疲勞分析是基于應力—壽命（S—N）的方法進行疲勞分析的，其分析過程為：首先通過靜力分析獲取零部件的應力信息；然后根據材料的S—N曲線，計算結構危險部位的應力集中系數，結合材料的疲勞極限圖，通過插值將材料的S—N曲線轉化為零件的S—N曲線；最后再由載荷譜確定的應力譜，根據Miner線性損傷累積規則計算零件的壽命。其有限元相關理論表達如下。

3.2 添加負載

設定循環周期為106，添加疲勞事件—靜力分析，負載類型LR=-1。

3.3 運行并查看結果

查看損壞圖解，損壞圖解如圖7所示。

由圖7可知：在最大損壞限制為100%的情況下，螺栓位置顯示為紅色，由于使用理論上的螺栓接頭來模擬此連接，因此這里的結果并不真實，故忽略此區域的分析，同時對結果進行關鍵位置及危險位置的探測。選取割具承重板、絞龍軸承座、大臂焊接處、割臺大臂及大臂軸承連接處進行探測，探測圖解如圖8所示。

由圖8可知：螺栓下方的位置給出了一個精確的結果，接近430%的數值證明這個位置受到了嚴重的疲勞破壞，表明此位置的設計或生產需要多加注意；其他位置在106次循環下不會產生疲勞失效。

4 結論

本文以玉米收獲機割臺框架為對象，通過靜力分析得到危險位置和應力特點，為今后該型號玉米收獲機框架的改進提供了依據。此外，對玉米收獲機割臺框架進行疲勞分析，得出該機割臺框架的損壞圖解，并對疲勞失效位置進行說明，對于以后該型號收獲機的設計、生產以及改進具有一定的參考價值。

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Abstract： In the article， it built up 3D model of maize harvester cutting table frame by using Solid works software， used irregular vibration caused by uneven pavement as drive， did static analysis for cutting table frame of maize harvester by using Solid works Simulation to get stress and strain intensity of key parts and other related information； meanwhile， on the basis of static analysis， to do fatigue analysis for the frame of cutting table according to fatigue curve of Q235 steel material， and got corrupted graphics and other related data. The result theoretically has a certain reference value for the design， inspection， improvement and security evaluation of similar products.

Key words： frame of cutting table； static analysis； fatigue analysis； Solid works