基于ANSYSWorkbench對4MZ-3C型采棉機(jī)側(cè)壁焊合剛度強(qiáng)度及模態(tài)特性的試制前有限元分析

■ 趙杜超 王玉剛 王永政 張治衛(wèi)

〔山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司研發(fā)中心，山東濟(jì)南250032〕

一、引言

4MZ-3C型采棉機(jī)側(cè)壁焊合，底部連接采棉機(jī)車體基架，頂部連接駕駛室托盤，承載著整車操控系統(tǒng)及駕駛?cè)藛T的生命安全。鑒于側(cè)壁焊合可靠因素的重要性，筆者基于ANSYSWorkbench對側(cè)壁焊合剛度強(qiáng)度及模態(tài)特性進(jìn)行試制前的有限元分析，希望借此指導(dǎo)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

二、側(cè)壁焊合模型的剛度強(qiáng)度分析

（一）有限元基本理論

有限元法結(jié)合彈性力學(xué)的幾何方程、物理方程、平衡方程、邊界條件，加之以基于變分法的“化整為零，集零為整”數(shù)值方法，以及借助于計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力，在數(shù)天甚至于數(shù)小時內(nèi)即可完成上千階矩陣方程的求解工作，大大降低了工程人員分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)性能的工作量。

（二）創(chuàng)建StaticStructural分析項(xiàng)目，并對EngineeringData進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)如圖1所示（結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345-A）。

自SolidWorks導(dǎo)入三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)合筆者計算機(jī)性能及工程實(shí)際需要，Element size取值為5mm，Nodes規(guī)模控制在500萬以下。

（三）邊界條件及外力狀況

A～E為作用的外力，已涵括加速動荷慣量沖擊。F為自身重力。G為固定邊界：底座和前突出部鋼板固定。

（四）方案結(jié)果

TotalDeformation：模型最高點(diǎn)懸臂處最大變形量2.9mm。90%的部位變形量控制在1mm以下，符合圖紙中對角線變形量不超過4mm的要求。

EquivalentStress：在底部前端個別突兀點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，可以通過增大倒圓角的辦法消除。99%的部分處于90Mpa以下，遠(yuǎn)小于Q345-A的屈服強(qiáng)度。

（五）小結(jié)

考慮到外力施加時已經(jīng)包括動荷沖擊在內(nèi)的各種極限情況，側(cè)壁焊合在剛度強(qiáng)度方面滿足實(shí)際工況需求。

三、結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)特性分析

（一）模態(tài)分析基本理論

在無阻尼系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)振動方程如下。

式中：

[M]——質(zhì)量矩陣；

[K]——剛度矩陣；

{X}——節(jié)點(diǎn)位移向量。

設(shè)無阻尼自由振動的解為：

式中：

{φi}——第i階模態(tài)形狀的特征向量；

ωi——第i階自然振動頻率；

t——時間。

（二）結(jié)構(gòu)低階模態(tài)解析

1.周邊結(jié)構(gòu)共振因素。

出于篇幅考量，此處直接給出模態(tài)特性計算結(jié)果。

側(cè)壁焊合前6階固有頻率依次為：397Hz、713Hz、782Hz、863Hz、970Hz、971Hz。

駕駛室托盤前6階固有頻率依次為：19Hz、23Hz、30Hz、36Hz、41Hz、51Hz。

車體基架前6階固有頻率依次為：9Hz、13Hz、17Hz、21Hz、22Hz、26Hz。

比較三組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁焊合的前6階固有頻率遠(yuǎn)高于其余兩者，表明在實(shí)際工況下結(jié)構(gòu)共振的可能性幾乎不存在。

2.外界激勵因素。

路面不平度引起的激勵，一般路面為1Hz～3Hz；車輛自身調(diào)校不良引起的激勵，如液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一般處于11Hz以內(nèi)；發(fā)動機(jī)的激勵，頻率f=，其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n?[850，2100]r/min，氣缸數(shù)M=6，則f?[42.5，105]Hz。以此觀之，采棉機(jī)在正常工作時，側(cè)壁焊合的低階固有振動頻率遠(yuǎn)大于發(fā)動機(jī)的激勵頻率，不會引起共振現(xiàn)象。