基于ANSYS的共振裝置三維系統建模及優化設計

盧利平，李水良

(1.河南職業技術學院，鄭州 450000；2.河南科技大學，河南 洛陽 471023)

0 引言

我國作為小麥主要產出國，多年來眾多學者堅持致力于小麥聯合收割機的改進與研發，以不斷提升收割機開發速度與制造質量。從收割機本體的機械部件組成角度出發，結構設計已由傳統的經驗設計持續向利用先進的CAD/CAM方法過渡。一方面，有限元分析方法作為一種智能的計算機機械結構設計應用手段，在農業機械的設計方面均得到不同領域和范圍的體現；另一方面，針對小麥聯合收割機在作業過程中整機不同部位受到振動的相互影響，會大大降低收割機的使用壽命和作業效率。為此，筆者依據收割機設計的基礎理論，以ANSYS分析軟件為載體，通過了解某型號聯合收割機的共振裝置(收割機外形圖見圖1)，對其進行三維建模和優化設計，以期減少收割機整機組件間的共振現象。

1 工作原理及特點

小麥聯合收割機是一種能夠集收割、脫粒、分離麥稈和清除雜余物功能于一身的農業機械，依靠發動機提供動力，通過收割系統將待收割小麥喂入收割裝置經脫粒之后通過輸送裝置排出，同時麥稈及雜余物從另一通道排出，完成收割。表1列出小麥聯合收割

機的核心技術參數，滾筒直徑可影響分離效果，過橋尺寸合理可保證喂入順暢，卸糧筒高速旋轉實現快速潔凈卸糧。

圖1 小麥聯合收割機外形圖

序號參數名稱單位參數值1喂入量kg/s82割幅mm2560/27503最小離地間隙mm2804糧倉容積m22.65最高行走速度km/h266驅動輪距mm19007整機質量kg69008配套動力kW1299外形尺寸mm7000×2980×347010作業小時生產率hm2/h0.6～1.3

2 核心裝置設計

2.1 理論模型

小麥聯合收割機在收割過程中，產生的振動以低頻為主，呈現多因素、多部件、多自由度的特點。對于N自由度的線性系統，其振動的理論模型為

[M]{u″}+[C]{u′}+[K]{u}={F(t)}

(1)

式中 [M]—系統的質量矩陣；

[C] —系統的阻尼矩陣；

[K] —系統的剛度矩陣；

{u'}—系統的速度向量；

{u"}—系統的加速度向量；

{F(t)} —系統的激振力向量。

[C]在實際過程中影響較小，忽略后簡化模型為

[M{u″}]+[K{u}]={0}

(2)

小麥聯合收割機可能引起共振的裝置主要有發動機本體、傳動軸、機架及割臺系統等，筆者就割臺和機架尺寸結構與布局進行優化設計，建立了激振頻率模型，即

(3)

F2=vn2

(4)

式中F1—發動機產生的激振頻率(Hz)；

通過對分析靈敏度盤每個濃度的HBV/HCV/HIV樣本進行單人份檢測，高濃度和中濃度樣本的檢出率應均為100%，而低濃度HBV-DNA分析樣本的檢出率為55.56%，重復檢出率稍低，可見低濃度樣本檢出可能出現假陰性。在實際工作中，低檢測限濃度的質控品檢測的穩定性也較差[5]，可見在無償獻血者標本檢測過程中一定要嚴格按照SOP操作。而自行配制的室內質控品隨保存時間延長，其病毒載量降低，建議低濃度分析靈敏度盤解凍后最好在72 h內使用，或能在48 h內上機檢測[6]，從而保證標本的穩定性。

F2—作業路面產生的激振頻率(Hz)；

n1—發動機轉速(r/min)；

n2—空間頻率，路面波長的倒數(1/m)；

z—發動機缸數；

v—收割機的行進速度(m/s)；

τ—發動機沖程數。

2.2 三維建模

選取小麥聯合收割機的割臺系統和機架為優化對象，通過UG軟件進行參數化三維系統建模。圖2為確定的小麥聯合收割機共振裝置三維建模流程。根據機械設計振動基礎理論與構件校核強度相關理論，在最大限度降低機體質量、優化構件布局的前提下，確定各結構尺寸參數之后構建裝置的基本體，整體模型形成之后完善倒角等細節特征，確保優化設計符合聯合收割機的工作性能要求。

對于機架組成，在原形狀尺寸基礎上移除機架最底端的3根橫梁與1根豎梁，收割系統與運輸裝置連接位置部位加裝1根固定梁，同時對于非關鍵支撐部位減少機架材料的壁厚。經強度校核計算后，得出如圖3所示設計優化后的機架物理模型，后期裝配注重加強內部組件連接處的焊接質量。

圖2 小麥聯合收割機共振裝置三維建模流程圖

圖3 小麥聯合收割機機架三維物理模型

對于割臺系統(見圖4)，應保證傳動軸平衡前提下進行優化。作為主要收割與受力部件，以保證尺寸協調性為原則，根據分析并考慮受力平衡，針對底板和側板位置，減少其材料厚度0.3mm，主要收割的前部增加厚度0.1mm，割臺系統整體質量減少8.8%。

圖4 小麥聯合收割機割臺三維有限元模型

2.3 模態分析

三維系統實現建模之后，導入ANSYS軟件，生成三維有限元模型(見圖4)進行模態分析，依照有限元模型模態分析步驟(見圖5)展開。首先進行材料屬性設置，具體如下：

1)選取Q235A作為計算材質；

2)彈性模量E=210GPa；

3)泊松比λ=0.295；

4)密度ρ=7 850kg/m3。

在忽略不影響模擬效果的條件下，選取單元屬性為pshell，定義為CTRIA6，進行網格劃分，共得到單元總數為312 306，節點總數為298 719；定義邊界條件與設置求解參數后，進行求解運算。

圖5 有限元模型模態分析步驟

考慮該型號小麥聯合收割機的割臺系統在正常工況下可能發生共振的振型通常分布在前幾階振型處，故通過對割臺系統進行ANSYS模態求解分析，得出割臺系統四階模態振型如圖6所示。由觀察數據及振型分布可知：第1～3階振型的最大變形位置均在割臺的后上梁與小麥排桿口的右前縱梁連接處出現，第4階振型整體應力沒有嚴重變形現象，前4階振型均可避開外部的振動激勵。

機架有限元模態設置條件依照步驟進行(不做贅述)。通過對機架進行ANSYS模態分析可知：優化后的機架第1～3階振型變化不大，第4階振型機架底部會出現應力彎曲，但影響不大；在可能會產生最大應力點(如橫梁與豎梁的焊接部位等)經拓撲優化后能夠很好地避開與收割機整機的共振現象，且相比之前可以降低材料質量15.3%。

3 試驗

3.1 試驗條件

為驗證上述結構優化及ANSYS分析的準確性，搭建共振測試試驗平臺，試驗前進行測點合理布置。圖7給出小麥聯合收割機機架振動測試布點分布。布點要求在充分顯示測試對象輪廓形狀基礎上，在連接處、可能引起共振部位及受應力比較大的部位布點加密，避開某些變形量為零的節點位置，激勵源點設置在剛度較大的位置等。

表2為試驗過程中所用關鍵設備。模態試驗的基本原理可表述為：通過力錘對機架、割臺系統產生激振力的作用，主要測試部位安裝加速度傳感器；數據采集系統采集到的信號經其傳遞至試驗分析裝置，并在相連接的計算機上進行數據顯示。此次試驗為兩個對象共用一套試驗設備。

圖7 小麥聯合收割機機架振動測試布點

序號設備名稱設備數量主要功能1加速度傳感器10獲取并傳遞數據信息2作用力錘1產生激勵裝置3數據智能采集系統1準確采集信號4試驗分析裝置1分析關鍵參數5計算機1計算生成關鍵參數

3.2 過程分析

將計算得出機架的試驗數據與有限元數據進行效果對比，如表3所示。由試驗結果可知：ANSYS分析得出的各階模態振型與試驗測點獲得的振型大體一致，且固有頻率的前4階振型誤差控制在±8%以內，得出機架三維系統優化設計的可行性。

通過計算得出割臺系統的試驗數據與有限元數據進行效果對比，如表4所示。由表4可知：前4階振型的固有頻率分布在26～61Hz之間。計算值與試驗值振型一致性較好，兩者誤差控制在±5%以內，驗證了割臺系統三維系統建模參數設計的合理性。

表4 割臺系統ANSYS計算與試驗數據對比

Table 4 Data contrasts of the ANSYS calculation and test of the cutting table system

模態階數固有頻率/Hz計算值試驗值誤差/%126.17927.165-3.76236.56337.462-2.46351.26349.6083.22460.31958.2033.51

4 結論

1)根據機械振動理論和小麥聯合收割機的機理特征，選取易受共振影響的機架和割臺系統展開優化設計。機架主要通過增減橫梁與調整組裝位置，割臺系統主要根據設計計算減少材質厚度并對重點部位進行尺寸改進。

2)利用UG軟件對優化設計后的核心裝置進行三維系統建模，并導入ANSYS進行有限元模態分析，得出模態振型，明確應力分布。通過設定對象的測試布點，搭建振動測試平臺進行振動試驗，試驗結果與有限元分析計算的前4階振型分布具有高度的一致性，兩者誤差滿足優化設計要求。

3)此優化設計使得聯合收割機的整機質量下降、結構緊湊且有效避開共振區域，可為延長機械壽命提供一定條件，同時對相似機具改進與設計有一定的參考價值。