基于ANSYS水稻覆膜直播機機架的有限元分析

丁建梅 胡永冉 丁建華 徐海峰 袁洪棟

摘 要：為使水稻覆膜直播機的機架滿足覆膜直播工作的承載要求，避免機架變形過大影響覆膜平整度，同時為避免機架與發(fā)動機等激振源發(fā)生共振現(xiàn)象，利用ANSYS軟件對水稻覆膜直播機機架進行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析。通過對3種材質(zhì)的機架進行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果進行綜合評估，材質(zhì)Q235的機架為最優(yōu)。在對Q235機架進行模態(tài)分析中，獲得機架的前六階固有頻率。將主要激振源的激振頻率與機架的前六階固有頻率進行比較，其結(jié)果說明機架工作中不會發(fā)生共振現(xiàn)象。最后通過田間試驗驗證所設(shè)計機架能滿足覆膜直播作業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞：水稻覆膜直播機;靜力學(xué)分析;模態(tài)分析;田間試驗

Abstract：In order to make the frame of the rice mulching direct seeding machine meet the load-bearing requirements of the mulching direct seeding work， avoid excessive deformation of the frame and affect the flatness of the cover， and to avoid resonance between the frame and the excitation source such as the engine， ANSYS is used to perform static analysis and modal analysis on the rice mulching direct seeding machine frame. Through static analysis of three material frames and comprehensive evaluation based on the analysis results， the frame of material Q235 is the best. In the modal analysis of the Q235 rack， the first six natural frequencies of the rack are obtained. The excitation frequency of the main excitation source is compared with the first six natural frequencies of the rack， and the comparison results show that the resonance phenomenon does not occur in the work of the rack. Finally， field tests verify that the designed frame can meet the requirements of the mulching direct seeding operation.

Keywords：Rice mulching direct seeding machine; static analysis; modal analysis; field trial

0 引言

目前，水稻作為主要糧食中的三大部分組成之一，其種植面積占世界糧食種植面積的1/5。在我國的東北三省，春季時期的氣候相較于其他南方省份來說偏干燥和寒冷，而水稻覆膜技術(shù)可以很好地解決這一問題。水稻覆膜技術(shù)中所用的粘有水稻種子的可降解膜，對土壤能起到保溫、保墑作用。此外，還能減少病蟲害、有效除草和高效節(jié)水[1]。但目前水稻覆膜直播過程中機械化水平較低，嚴(yán)重限制了水稻的種植生產(chǎn)效率[2]。

水稻覆膜直播機械化作業(yè)對于提高水稻種植效率、降低成本和減輕種植戶勞動強度等具有重要意義[3-5]。因而，研究設(shè)計出一種水稻覆膜直播機具十分重要。在水稻覆膜直播機研究設(shè)計過程中，機架作為整個機器的承重機構(gòu)，它承載著展平裝置、覆膜裝置以及鎮(zhèn)壓裝置等結(jié)構(gòu)，故機架要滿足其覆膜直播工作的承載要求，應(yīng)具備足夠的剛度和強度。機架的變形會導(dǎo)致種膜的展平度變差，甚至?xí)l(fā)生斷膜的現(xiàn)象，進而影響覆膜效果以及水稻的出苗率。本研究通過對所設(shè)計機架進行仿真分析以及田間試驗，驗證了其能滿足作業(yè)要求，為機架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 水稻覆膜直播機機架結(jié)構(gòu)建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

機架主體主要由方管焊接而成。機架長為720 mm，寬為2 750 mm，高為620 mm。在Solid Works中建模，如圖1所示。

1.2 分析前處理

機架主要承受各工作部件以及自身的重力。此外，在覆膜直播工作過程中，機架同時受來自鎮(zhèn)壓輥的拉力。仿真過程中，將機架簡化為橫梁以及豎梁組成的結(jié)構(gòu)。假定機架模型為一整體，將機架模型從Solid Works中導(dǎo)入至Workbench中，進行材料屬性的設(shè)置。其材料屬性參數(shù)見表1。

將機架模型導(dǎo)入分析模塊，進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方法采用四面體劃分法。網(wǎng)格劃分情況為：Q235機架共有775 674個節(jié)點，432 279個單元;鋁合金和不銹鋼機架各有774 851個節(jié)點、431 729個單元。

2 靜力學(xué)分析

2.1 施加約束與載荷

在對機架模型進行仿真分析時，確定正確的邊界條件來限制其位移是獲得較高精度求解結(jié)果的前提[6]。仿真分析中，在機架上部的耳板上施加固定約束。設(shè)機架自身重力為均布載荷，其他施加在機架上的載荷為集中載荷，且施加在各自的設(shè)計位置上[7]。

經(jīng)研究，整體機架所承受的載荷主要有兩方面：一是機架自身重力及各覆膜工作部件重力對機架的作用，其中粘附有水稻種子的種膜卷對機架也有重力作用，種膜卷安裝在覆膜輥上;二是鎮(zhèn)壓輥在受到前進阻力時機架立梁受到的拉力。其余諸如帶立式座軸承及螺栓等零件的重力作用影響較小，可忽略不計。機架及各部分工作部件質(zhì)量見表2。

2.2 求解分析

在將約束與載荷施加完成后，分析得到機架的變形云圖如圖2所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖2可知，Q235機架的最大變形量為2.628 7 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位;鋁合金機架的最大變形量為5.581 mm，最大變形處位于左側(cè)立梁下方部位;不銹鋼機架的最大變形量為3.276 3 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位。

由圖3可知，Q235機架最大應(yīng)力值為188.15 MPa，鋁合金機架最大應(yīng)力值為167.8 MPa，不銹鋼機架最大應(yīng)力值為257.57 MPa，

根據(jù)材料屬性可知Q235鋼的屈服強度為σb=235 MPa，鋁合金的屈服強度σb=195 MPa，不銹鋼的屈服強度σb=440 MPa。根據(jù)使用情況，可取安全系數(shù)n=1.2，由公式（5）經(jīng)計算得出其各自的許用應(yīng)力分別為195、162.5、366.7 MPa。

在機架結(jié)構(gòu)相同條件下，Q235、鋁合金以及不銹鋼機架質(zhì)量分別為169.13、66.66、204.55 kg。但鋁合金和不銹鋼材料的價格均高于Q235。綜上，強度方面，Q235和不銹鋼材質(zhì)機架強度滿足使用要求，鋁合金材質(zhì)機架不滿足使用要求;重量方面，鋁合金機架重量最小，Q235次之;經(jīng)濟方面，Q235材料價格最低，經(jīng)濟適用。故選擇Q235作為機架材料。

3 機架模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析介紹

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析獲得，這樣一個計算或試驗分析的過程就叫作模態(tài)分析[8]。

在模態(tài)分析中，振動頻率和模態(tài)由方程（6）計算求解：

式中：[K]為剛度矩陣;[M]為質(zhì)量矩陣;ωi為振動頻率;φi為模態(tài)。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

在對機架進行模態(tài)分析時，高階振型對其結(jié)構(gòu)動力學(xué)影響較小[9]，故主要分析前六階頻率。進行仿真后，得到機架的前六階模態(tài)參數(shù)，其中包括機架固有頻率、振型以及最大變形量，見表3。

針對水稻覆膜直播機，引起其機架振動的振源因素由牽引裝置發(fā)動機工作時產(chǎn)生的振動以及機器在工作時作業(yè)地面平整度不一而引起的振動等。其中發(fā)動機對機架的振動影響主要考慮爆發(fā)激勵頻率[10-12]，計算公式為：

水稻覆膜直播機牽引拖拉機為直列四缸四沖程的柴油發(fā)動機，額定轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，將發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)代入公式（7）可得發(fā)動機在正常工作情況下的激勵頻率是80 Hz，這一頻率高于機架的前六階固有頻率。因此拖拉機的發(fā)動機產(chǎn)生的振動不會與機架造成共振。

4 田間試驗

通過與生產(chǎn)方協(xié)調(diào)，生產(chǎn)出所設(shè)計的整機機器。而后進行田間試驗，檢驗所設(shè)計機架對膜平整度的影響，并驗證機架能否滿足要求。

4.1 種膜平整度測定

通過進行田間試驗，測定并計算出了3種不同鏈輪轉(zhuǎn)速下的種膜平整度。種膜展平度（δ）通過以下公式計算[13]：

根據(jù)試驗現(xiàn)場效果以及數(shù)據(jù)結(jié)果看，機器所覆種膜未出現(xiàn)斷膜、雍膜現(xiàn)象，覆膜效果良好。此外3次試驗的種膜展平度平均值為95.17%，符合覆膜要求。

4.2 穴距、行距和穴粒數(shù)測定

在水稻覆膜直播機完成鋪膜作業(yè)后，要對鋪膜后的種膜的相關(guān)參數(shù)進行測定，以此來評價水稻覆膜直播機的直播效果。測定的項目包括穴距、行距和穴粒數(shù)，測定數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù)可知，穴距、行距沒有發(fā)生變化，水稻覆膜直播機的作業(yè)情況良好，但有水稻種子丟失的現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)分析，造成水稻種子丟失現(xiàn)象發(fā)生的原因是種膜在運輸以及覆膜過程中水稻種子發(fā)生脫膠現(xiàn)象。該問題可通過完善種膜的運輸過程以及調(diào)節(jié)種子的黏膠方式來解決[14]。

5 結(jié)論

通過ANSYS Workbench軟件對水稻覆膜直播機的機架部分進行了有限元靜力學(xué)分析，得到了機架的應(yīng)力云圖與變形云圖。通過以強度、質(zhì)量和價格等方面的衡量尺度，對3種不同材質(zhì)的機架進行比較分析，確定了最優(yōu)機架為Q235機架。然后，通過對Q235機架的模態(tài)分析，得到了機架的前六階固有頻率與振型云圖。進一步分析了影響機架的主要振動因素為發(fā)動機引起的振動，將產(chǎn)生振動的主要振源與機架的固有頻率相比對，發(fā)現(xiàn)機架模型避開了發(fā)動機爆發(fā)頻率以及路面激勵頻率，從而確定了機架不會發(fā)生共振。此外，通過對整機的田間試驗驗證了其工作性能，也測定了種膜的展平度。試驗結(jié)果表明種膜展平度符合要求，機器工作性能良好。

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