基于ANSYS Workbench脫粒滾筒的模態和瞬態分析

肖星星，李　驊，齊新丹，王　蒙

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京　211816；南京農業大學 工學院，南京　210031)

?

基于ANSYS Workbench脫粒滾筒的模態和瞬態分析

肖星星1，李驊2，齊新丹1，王蒙2

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京211816；南京農業大學 工學院，南京210031)

摘要：針對工作載荷比較復雜的脫粒滾筒，在工作中可能因設計不當而引發的共振或諧振等問題，運用Pro/E軟件對脫粒滾筒進行建模，導入ANSYS Workbench軟件中，然后對脫粒滾筒進行模態分析和瞬態分析。分析結果表明：所設計的脫粒滾筒是安全與可靠的，不會發生共振而導致機器被破壞。通過模態和瞬態的分析，可以為后續的樣機制造提供理論依據。

關鍵詞：脫粒滾筒；ANSYS Workbench；模態分析；瞬態分析

0引言

脫粒滾筒是聯合收割機中重要的組成部件之一,由脫粒滾筒完成脫粒的過程，從而獲得所需的谷粒。因此，在設計脫粒滾筒時，不僅要考慮剛度與強度的因素，還要考慮合理的動態性能[1-2]。相對于傳統的切流式脫粒滾筒，橫流滾筒改變了脫粒方式，減小了對谷物的作用強度，省去分離裝置，簡化了收割機的結構[3]。

對于釘齒或桿齒焊接在軸上的橫流脫粒滾筒，在脫粒過程中，軸是在做旋轉運動。由于制造的精度及安裝的誤差，都會導致對中性不好而產生周期性的離心力來干擾脫粒運動，而離心力的作用后果就是使軸產生彎曲振動[4]。離心力的破壞力很大，不僅會使谷粒與機器發生碰撞，影響脫粒效果還會使桿齒徑向發生彎曲變形，變形的桿齒會影響擊打力，使谷粒產生一定的破損現象[5-7]。當脫粒滾筒工作時，由離心力產生的自激頻率與外在激勵頻率相同時，就會產生共振的現象，而長期產生共振現象，會使滾筒及滾筒軸承座螺栓的扭緊力矩不合格，并造成收割機損壞[8]。因此，研究脫粒滾筒的動力學性能為后面樣機的改進提供理論依據是很有必要的。

本文在已有橫軸流式的脫粒滾筒設計基礎之上，運用ANSYSWorkbench軟件，對脫粒滾筒進行模態分析，探究脫粒滾筒是否發生共振或諧振，并假設脫粒滾筒是在最惡劣的工況下，對脫粒滾筒進行瞬態分析，驗證脫粒滾筒結構是否可靠。

1有限元模型的建立

由于設計的收割機主要用于南方地區，而南方地形以丘陵為主，地勢有高有低，水稻的濕度較大。在選用脫粒裝置時，要選用對潮濕作物適應性強、結構輕簡及適通用性能較好的裝置。綜合考慮，選用軸流桿齒式滾筒。其主要由脫粒主軸、脫粒機制、擋草板、固定支桿和桿齒等零件經焊接而成，且主軸中間一段為空心管型結構。橫軸流式脫粒滾筒的主要結構參數，如表1所示。

表1　橫軸流式脫粒滾筒的主要結構參數

1.1　脫粒滾筒的三維模型

要在ANSYS軟件中進行動力學分析，第1步是先進行三維建模。在ANSYS中建立三維模型有兩種方法：一種是直接利用在ANSYS前處理器的實體建模功能創建三維模型；另一種是運用CAE軟件將三維實體模型畫好，通過接口功能導入ANSYS軟件中。對于一些結構比較復雜、在ANSYS 中建模比較困難的零件，通常的做法都是利用一些三維軟件做出實體模型后，再導入到ANSYS 中[9]。由于脫粒滾筒的結構比較復雜，所以首先通過Pro/E軟件建立脫粒滾筒的三維模型，保存為SAT格式；然后直接通過Pro/E與ANSYS Workbench的接口導入ANSYS Workbench平臺中,進行滾筒的動力學分析。脫粒滾筒的三維圖如圖1所示。

圖1　脫粒滾筒的三維圖

為降低對計算機硬件的配置要求，減少計算量和求解時間，可以適當對脫粒滾筒的部分工藝結構(如一些圓角、倒角等)進行簡化，并不會影響到計算結果精度。

1.2　材料的特性

本文中的開式橫軸流式脫粒滾筒的材料為45鋼，材料的屬性表如表2所示。

表2　材料的屬性

1.3　網格的劃分

網格劃分是建立有限元模型的重要環節，網格質量的好壞將影響到計算的結果和分析的準確性[10]。網格劃分的步驟主要包括：①定義單元屬性；②定義網格密度控制；③網格劃分。在本次分析中，選擇單元類型為Solid20node186，采用智能劃分網格。

2模態分析

2.1　模態分析的過程

通過模態分析，可以確定脫粒滾筒的振動參數(固有頻率和振型)，為瞬態動力學仿真奠定基礎。模態分析的好處在于可以在設計的早期階段求出機械系統的自振頻率，使產品設計避免共振或以特定的頻率進行的諧振。如果脫粒滾筒的結構中存在阻尼，則系統將變成阻尼模態分析，其固有頻率將變得復雜。故忽略較小的阻尼系數，其振動角頻率和振型可以通過下列公式計算，即

(1)

分析時，為了減少計算量而不影響結果的準確性，擬對滾筒主軸采用一端固定、另一端游動的支撐方式。所以，在對脫離滾筒進行模態分析時，既限制滾筒主軸的一端軸頸軸向位移又限制其徑向位移，而另一端軸頸只限制其徑向位移[11]。然后，對脫粒滾筒施加不同的載荷，對其變形部位進行分析。

2.2　模態分析的結果

通過公式(1)，提取前10階的固有頻率和部分振型，如表3和圖2～圖7所示。

表3　前10階固有頻率、最大載荷及振型

圖2　第1階振型圖

圖3　第2階振型圖

圖4　第3階振型圖

圖5　第4階振型圖

圖6　第8階振型圖

圖7　第10階振型圖

前10階振型中，固有頻率在70～339Hz之間，并且隨著振型階次不斷增加，固有頻率也不斷增加。其中，4階、5階和6階的固有頻率接近,8階和9階的固有頻率也接近，表現出的振型也較為相似。

前10階振型以扭轉、彎曲、伸縮、擺動為主。脫粒滾筒所受的最大載荷是14.20MPa，最小載荷是5.84MPa。隨著固有頻率的增加，脫粒滾筒上的最大載荷不是逐漸遞增或者遞減，而是先從1階到4階逐漸遞減至最小，再逐漸增加。由第1階振型圖可知：在桿齒頂端部位發生扭轉振動，長時間的工作易造成桿齒疲勞破壞；由第2階振型圖可知：在支撐桿中間部分發生彎曲振動；由第3階振型圖可知：在支撐桿中間部分發生向伸縮變形；由于第4階、5階和6階振型圖可知：在支撐桿的彎曲兼軸向擺動，最大變形部位是在脫粒滾筒的兩端幅板處；由第7階振型圖可知：在中間支撐板附近的桿齒處發生扭轉振動；由第8階和第9階振型圖可知：支撐桿的彎曲與兩端幅板及中間支撐板的扭曲綜合振動；由第10階振型圖可知：除了主軸中間部分發生彎曲變形之外，其他部分均沒有受力。

脫粒滾筒的設計轉速為870r/min，而由滾筒的偏心質量的離心力作用所引起的激勵頻率為14.5Hz，遠小于1階模態下的固有頻率70.53Hz。即使由轉速為2 300r/min的四沖程發動機所引起的外在周期性激勵的頻率也只為38.3Hz，可以安全地避開脫離滾筒的各階模態固有頻率。因此，所設計的脫粒滾筒是安全的，不會發生共振而導致機器被破壞。

3瞬態分析

3.1　瞬態過程的分析

為減少計算機求解時間，將脫粒滾筒主軸的兩個支撐部分進行簡化，用兩個支座代替軸承支撐。在Pro/E中裝配好的三維模型導入ANSYS Workbench中后，默認模型材料為結構鋼，將滾筒主軸與兩個支座的接觸及兩支座與兩個輪轂的接觸設置為無摩擦約束，其他接觸均保留默認的綁定狀態。另外，對兩支座的底面選擇【Body-Ground】下的Fixed進行約束，并添加對滾筒主軸的軸向位移約束。

在樹形窗【Transient】下開啟重力，重力方向設為Z軸方向。設定滾筒轉速為91 rad/s，并對每個桿齒頂端向后彎曲一段上施加與圓周速度方向相反的周向載荷，并對滾筒主軸右端施加與滾筒轉速方向相同的驅動力矩158.6N·m，對左端主軸施加與轉速方向相反的力矩為32.4N·m。設置求解步數為1，求解時間步長為1s，初始求解子步為0.01s，最小子步為0.005s，最大求解子步為0.02s。

設置求解項：在樹形窗【Solution】下加載求解項目Total Deformation、Equivalent Elastic Strain、Equivalent Stress，然后點擊Solve進行求解。

3.2　瞬態分析的結果

由以上分析過程，最終得到脫粒滾筒的變形及應力應變曲線圖，如圖8所示。

圖8　脫粒滾筒的變形及應力應變曲線圖

由圖8可知：脫粒滾筒的最大累積變形量隨載荷增大而增大，在1s時達到最大值12.733mm；最大等效應變量在1.066 3×10-3～1.336 4×10-3mm范圍內,應變量波動原因可能是由于支座孔和主軸軸頸的建模精度不足所導致；最大等效應力在0～0.946 25s內呈下降趨勢，最小值為209.33MPa，在0.946 25～1.000s內急劇上升，最大值為228.35MPa。

結果表明：加載過程中滾筒的最大等效應力值小于零件材料的許用拉壓應力值250MPa。由于該加載過程是模擬脫粒滾筒在最惡劣的工況下的結構動態響應，實際工作中該工況出現的概率很低，故可以確定滾筒結構設計是可靠的。

4結論

1)利用Pro/E軟件建立脫粒滾筒的三維模型，并導入到ANSYS Workbench軟件中，初步確定了其前10階固有頻率和振型，分析了脫粒滾筒的變形部分。

2)對脫粒滾筒進行了模態分析，結果表明：前10階固有頻率的振型中，第3階振型變形最厲害，會發生軸向伸縮變形，導致脫粒滾筒變長或者縮短，大大影響脫粒的效果，甚至影響機器的質量，但所設計的脫粒滾的筒并沒有達到此階段，故沒有影響。

3)對脫粒滾筒進行了瞬態分析，通過對脫粒滾筒的應力應變以及最大變形量分析表明：隨著時間的增加，脫粒滾筒出現持續的變形。應變曲線先減小、后快速增加，應力曲線也先減小、后快速增加，但并沒有影響到脫粒滾筒的結構質量。

4)通過模態分析和瞬態分析，驗證了設計的脫粒滾筒合理性，為后續的樣機制造提供了理論依據。

參考文獻：

[1]嚴帥，曹京生.基于ANSYS的滾筒軸優化設計[J].機械設計與制造，2014,43(1)：42-45.

[2]鄒景超，劉建秀，寧向可.基于ANSYS的雙圓弧齒輪靜動力學分析[J].研究與開發，2009(12)：62-71.

[3]王顯仁，師清翔，倪長安，等.軸流脫粒滾筒裝置應用現狀與分析[J].農業機械,2009(15)：73-75.

[4]鄭磊，尹健，紀斌，等.基于ANSYS的脫粒滾筒模態分析[J].農機化研究，2013,35(4):48-51.

[5]李洪昌，李耀明，徐立章.聯合收割機脫粒分離裝置的應用現狀及發展研究[J]. 農機化研究,2008(1):223-228.

[6]雷婷.玉米籽粒收獲機常見故障的分析與排除[J].農民致富之友，2015(5):113.

[7]謝方平，羅錫文，盧向陽,等.柔性桿齒滾筒脫粒機理[J].農業工程學報，2009,25(8)：110-114.

[8]謝子平.脫粒機事故原因分析與安全措施[J].農機使用與維修,2015(1)：38.

[9]呂中界，李屹，尹健，等.閉式脫粒滾筒的靜動態性能分析[J].農機化研究，2015,37(4):44-47.

[10]邢靜中，李軍.ANSYS的建模方法和網格劃分[J].中國水運:學術版，2006(9):116-118.

[11]胡志清.微型水稻收割機設計與關鍵部件研究[D].長沙:中南林業科技大學，2013.

Modal and Transient Analysis of Threshing Cylinder Based on ANSYS Workbench

Xiao Xingxing1， Li Hua2， Qi Xindan1， Wang Meng2

( 1.College of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology, Nanjing 211816，China; 2.College of Engineer, Nanjing Agricultural University,Nanjing 210031，China)

Abstract：According to the fact that working load of threshing cylinder is complex and the inappropriate design may cause resonance problem in the working，a three-dimensional modeling of threshing cyclinder is created by Pro/Engineer software, and then is introduced into finite element analysis software Ansys Workbench to modal analysis and Transient analysis. The analysis shows the design of threshing cylinder is safe and reliable, and does not happen resonance what caused by the destroy of machine.Through the analysis of modal and transient, it can provide theoretical basis for the future design and improvement.

Key words：threshing cylinder; ANSYS workbench; modal analysis; transient analysis

中圖分類號：S225；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0046-05

作者簡介：肖星星(1992-)，女，南京人，碩士研究生，(E-mail)15189807379@163.com。通訊作者：齊新丹(1971-)，女，山東德州人，副教授，碩士生導師，(E-mail)1710863381@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305182); 江蘇省農機基金項目(gxy14001)

收稿日期：2015-08-27