基于ANSYS的半喂入花生摘果機機架模態分析

柴康杰 胡志超 游兆延 張延化 王建楠

摘要：在花生摘果機摘果過程中，由于劇烈的振動，經常會引起摘果機零部件毀壞及機器的故障。為研究是否發生共振，首先利用三維繪圖軟件Inventor對摘果機機架進行參數化實體建模，接著通過接口將模型導入ANSYS軟件中進行模態分析，得到機架前6階的振動頻率分別為24.783、29.496、34.483、42.197、64.033、72.378 Hz，并得到相對應的各階振型云圖，分析出了其固有頻率及振型對應的機架變形情況，為后續的減振分析和機架優化提供了理論依據。

關鍵詞：花生摘果機；機架；實體建模；模態分析；固有頻率

中圖分類號： S225.7+3文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0407-03

花生作為我國最大的油料作物之一，為減輕農民勞動強度，提高工作效率，南京農業機械化研究所研制了半喂入花生摘果機，可實現收獲過程中最重要的摘果作業，對實現花生機械化收獲有重大的現實意義[1]。但是工作過程中整機的劇烈振動，會導致機器零部件的斷裂和機器故障，從而降低了工作效率，嚴重制約了摘果機的廣泛推廣。機架作為主要承載部件，不僅承載著動力部件和各種傳動鏈、夾持鏈、摘果輥等工作部件，而且會受到外界不同的激勵，當激振力頻率和機架的某階固有頻率接近時，機架就會產生劇烈的振動[2-3]。

模態分析是研究結構動力特性一種近代方法，通過模態分析可以得到系統固有頻率和振型，從而有效地指導工程設計[4]。本研究利用三維建模軟件Inventor建立摘果機機架的三維模型，然后導入ANSYS軟件對機架進行自由模態分析，了解其結構特性，得到了前6階固有頻率和振型，并輸出各階頻率的位移云圖，得到其對應的振動變形情況，為摘果機機架的設計和優化提供理論基礎。

1模態分析理論

振動模態是彈性結構固有的、整體的特性，包括結構固有頻率和振型分析[5]。通過模態分析，可以分析出結構的振動特性，從而有效地避免機構由于共振引起的強振[6]。通常，高階振型對結構動態特性的影響不明顯，選取低階振型進行分析[7-8]。

在模態分析時，假定結構的自由振動是多自由度且無阻尼時，它的動力學微分方程可以表示如下：

2建立機架模型

半喂入花生摘果機的機架尺寸：長×寬×高為200 mm×88 mm×115 mm。整機主要由3個部分組成：動力部件汽油機，采用雅馬哈MZ175R，其額定功率為3.3 KW，轉速為1 800 r/min；摘果輥的主要尺寸為長度1 200 mm，滾筒直徑 1525 mm，工作轉速371 r/min，每個摘果輥上配有6個葉片，兩摘果輥相向、同速轉動，完成摘果過程；夾持鏈采用齒輪鏈，由電機通過帶傳動和齒輪傳動提供動力，夾持輸送速度為 1.025 m/s。

2.1機架有限元模型的建立

由于ANSYS軟件三維建模功能較薄弱[12]，而一個模型的建立直接影響著模態分析結果的精確性，利用三維軟件Inventor 對整機機架進行實體建模，在相接觸的地方設置其為焊接點。為了在分析時劃分網格方便，提高計算效率，略去一些對模態分析影響不大的輪廓線、小圓孔、倒圓角等細節[13]。建立的摘果機機架模型如圖1所示。

通過Inventor 和ANSYS 的無縫接口，將三維模型直接導入到ANSYS 軟件中進行仿真試驗[14]，添加材料屬性，選擇Q235結構鋼，它的主要力學力學性能為：屈服極限為 235 MPa，泊松比為0.3，質量密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa。導入后的模型如圖2所示。

考慮到摘果機在工作時4個角鋼和地面相接觸，為近似模擬它的工作狀態，應設定4個角鋼為固定約束。其他各零部件的接觸選擇默認設定bonded，由于是對機架靜力學模態分析，所以預應力為零。

根據模態分析理論可知，在對機架進行模態分析時，低階振動對機器結構的影響較大，決定了它的動態特性，所以結合摘果機工作的實際情況，取前6階的模態進行分析，設定模態數為1～200，其他選擇默認選項。

3結果分析

對摘果機進行模態分析，其結果主要包括2個部分：前6階振動頻率圖和對應的振型云圖。圖4為摘果機機架模態分析的前6階模態的固有頻率柱狀圖，右邊顯示其對應數值。

架前后方向振動方向一致，最大變形量發生在機架上端。

根據圖10變形量可知，最大變形量為12.67 mm。由動態圖可以看出，振動方向是機架兩側在寬度方向的扭動，但前后振動的方向相反，最大變形量發生在機架上端。

4結論

通過建立半喂入花生摘果機架的有限元模型，將模型在ANSYS中進行模態分析，得到了機架的前6階固有振動頻率和振型云圖，通過分析各階云圖和動態圖形變化，得出各階頻率對應的振動趨勢。

在得到固有頻率后，結合發動機的工作頻率和其他工作

[FK（W14][TPCKJ10.tif][FK）]

部件的工作頻率可知，除了發動機其他工作部件的頻率遠低于1階固有頻率，不會引起機器的共振，而發動機的工作頻率30 Hz與二階頻率29.9 Hz相近，說明發動機工作時會引起機架的共振。

通過模態分析，為機架的后續改進提供了理論基礎。在機架設計過程中，可采用高強度的材料，在易變性的結構處，采用筋結構對其進行加固，均可提高機架的剛度，為保證整機工作過程中穩定性、可靠性、高效性具有重要的現實意義。

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