基于ANSYS Workbench的果園霧炮打藥機風(fēng)筒的力學(xué)特性分析

陳 麗，謝 鈺，陳梅艷，范九榮，葉選林

（云南開放大學(xué) 機電工程學(xué)院，云南 昆明 650223）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國水果的消費水平和種植情況都有了一定的提升[1，2]。近年來我國水果種植面積持續(xù)增長，據(jù)統(tǒng)計，2021 年我國水果的種植面積已經(jīng)達到了12 646.3 khm2[1]。隨著果樹的大面積種植，傳統(tǒng)的噴藥技術(shù)和器具已經(jīng)很難滿足大型果園的管理需求[3，4]。霧炮打藥機是目前大型果園農(nóng)藥噴灑的重要器具之一，根據(jù)作業(yè)需求的不同，霧炮打藥機的噴霧射程一般在20～100 m，隨著噴霧射程和噴射量的提高，霧炮打藥機的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性也不斷提高，風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性是影響霧炮打藥機性能的主要因素之一[5]。

霧炮打藥機的風(fēng)筒一般由薄板制成[6]，霧炮打藥機的風(fēng)扇電機安裝在風(fēng)筒內(nèi)部，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速一般為3 000 r/min，霧炮打藥機的功率越大，霧炮打藥機的電機和風(fēng)筒的體積越大，對風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求越高[8，9]。本文以射程80 m 的大型霧炮打藥機為研究對象，分析風(fēng)筒的力學(xué)特性，為后續(xù)霧炮打藥機的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 分析模型

本文的分析對象為射程80 m的霧炮打藥機的風(fēng)筒，風(fēng)筒的長度為1 820 mm，風(fēng)筒的直徑為780 mm，風(fēng)筒采用薄鋼板焊接而成，為了增強風(fēng)筒的強度，風(fēng)筒包含內(nèi)外兩層，兩層之間設(shè)有與壁面垂直的筋板，風(fēng)筒的外側(cè)面設(shè)有兩個對稱的支撐結(jié)構(gòu)和一個導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖1，其材料特性見表1。

表1 風(fēng)筒材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of air duct

圖1 風(fēng)筒結(jié)構(gòu)Fig.1 Air duct structure

2 靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是分析機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一種常用方法，其能直觀地反映出機械結(jié)構(gòu)在靜力作用下的力學(xué)特性。

2.1 靜力學(xué)分析預(yù)處理

在ANSYS Workbench 中，用戶可以根據(jù)自己所需要的材料來定義分析模型所使用的材料，本文根據(jù)表1 的參數(shù)建立分析材料模型。將圖1 的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，并將按照表1定義的材料施加到幾何模型上。采用自動網(wǎng)格劃分的方法，并添加尺寸參數(shù)控制來對風(fēng)筒進行網(wǎng)格劃分[10]。

2.2 施加工作載荷與約束

風(fēng)筒在工作過程中，受到的約束主要有2個，第一個為作用在2 個支撐上的軸承支撐，另外一個是作用在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)上的軸承支撐，在ANSYS Workbench中，將上述2個約束施加到模型上。由于2個約束構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，本文為了簡化模型，將軸承約束改為固定約束。

風(fēng)筒在工作過程中，主要受到的力為風(fēng)扇電機的重力、自身重力和風(fēng)扇產(chǎn)生的反作用力，其中風(fēng)扇電機的重力和風(fēng)扇反作用力都作用在電機安裝板上，風(fēng)扇電機的重力大小為380 N，方向豎直向下，風(fēng)扇的反用力大小為600 N，方向與噴射方向相反，重力加速度為9.8 m/s2。在ANSYS Workbench中，將上述3 個力施加到模型上。約束和載荷的施加方式見圖2。

圖2 約束與載荷Fig.2 Constraints and loads

2.3 靜力學(xué)分析結(jié)果

將處理好的模型提交ANSYS Workbench 求解計算，將計算的結(jié)果后處理，得到風(fēng)筒在正常工況下的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變云圖和總變形云圖。

圖3是風(fēng)筒的等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，風(fēng)筒的應(yīng)力主要出現(xiàn)在電機安裝板、風(fēng)筒內(nèi)層和電機安裝板的筋板上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在風(fēng)筒內(nèi)層與筋板相接觸的位置，最大值為36.93 MPa，該值遠小于材料的強度，在額定工況下，風(fēng)筒能保持穩(wěn)定的工作。

圖3 等效應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram

圖4 是風(fēng)筒的等效應(yīng)變云圖，應(yīng)力較大的位置其應(yīng)變也比較大。風(fēng)筒內(nèi)層焊接位置的應(yīng)變較大，可以將焊接位置放在風(fēng)筒的最上方，降低焊接位置失效的可能性。同時，可以增加電機安板的筋板數(shù)量來降低風(fēng)筒的最大應(yīng)變值，提高風(fēng)筒的安全性。

圖4 等效應(yīng)變云圖Fig.4 Strain nephogram

圖5 是風(fēng)筒的總變形云圖，從圖中可以看出變形主要出現(xiàn)在電機安裝板及以下的風(fēng)筒部分，其中最大變形位置出現(xiàn)在電機安裝板的后端，最大變形值為0.3 mm，基本不影響電機的正常運行。同時，風(fēng)筒底部的內(nèi)外兩層都出現(xiàn)了較大的變形，電機安裝板的下方需要增加輔助結(jié)構(gòu)提高風(fēng)筒強度。

圖5 總變形云圖Fig.5 Total deformation nephogram

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析預(yù)處理

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有特性，同一個機械結(jié)構(gòu)具有無數(shù)階模態(tài)，每一階模態(tài)具有特定的固有頻率和振型[10]。本文采用靜力學(xué)分析中使用的載荷和約束及靜力學(xué)分析結(jié)果作為模態(tài)分析的分析條件，對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力進行模態(tài)分析，能更加精確地分析結(jié)構(gòu)在工作過程中的模態(tài)特性。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

隨著階數(shù)的不斷增大，模態(tài)分析結(jié)果的誤差將會變大。根據(jù)實際工況需求，采用Block lanczos 法只提取風(fēng)筒的前四階模態(tài)，前四階模態(tài)的振動頻率范圍為70.5～141.2 Hz，分析結(jié)果見表2。

表2 前四階模態(tài)振動頻率Tab.2 Modal vibration frequency

圖6是風(fēng)筒的一階模態(tài)振型云圖，從圖中可以看出，變形主要出現(xiàn)在風(fēng)筒的下方尾部，最大值為47.0 mm，該位置也是焊接位置，對焊接強度要求較高，為了避免應(yīng)力集中，可以適當(dāng)優(yōu)化焊口位置，盡量避免焊口直接受力。

圖6 一階模態(tài)振型云圖Fig.6 First order mode shape nephogram

圖7 是風(fēng)筒的二階模態(tài)的振型云圖，從圖中可以看出風(fēng)筒中的導(dǎo)流板出現(xiàn)了較大的變形，最大值為14.7 mm，風(fēng)筒的其他的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。由于導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)形式與風(fēng)筒內(nèi)的空氣流動有著直接關(guān)系，導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要考慮風(fēng)筒內(nèi)空氣動力學(xué)。

圖7 二階模態(tài)振型云圖Fig.7 Second order mode shape nephogram

圖8 是風(fēng)筒的三階模態(tài)振型云圖，從圖中可以看出風(fēng)筒整體都出現(xiàn)了較大的變形，最大的變形出現(xiàn)在了風(fēng)筒前端的焊口位置，最大值為12.4mm。由于整個風(fēng)筒均出現(xiàn)了較大的變形，此時很難通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式解決共振問題。

圖8 三階模態(tài)振型云圖Fig.8 Third order mode shape nephogram

圖9 是風(fēng)筒的四階模態(tài)的振型云圖，從圖中可以看出風(fēng)筒變形的最大值出現(xiàn)在了風(fēng)筒前端的焊口位置，最大變形值為45.0 mm。在第一和第三階模態(tài)振型云圖中，焊接位置均是變形較大的位置，為了保證風(fēng)筒的安全運行，焊口安全性應(yīng)進一步研究。

圖9 四階模態(tài)振型云圖Fig.9 Fourth order mode shape nephogram

4 結(jié)論

風(fēng)筒是霧炮打藥機的重要組成部分，本文利用ANSYS Workbench 對射程為80 m 的霧炮打藥機的風(fēng)筒的力學(xué)性能進行了分析，得到以下結(jié)論：

①在額定工況下，風(fēng)筒的最大應(yīng)力為36.93 MPa，遠小于材料的許用應(yīng)力；最大變形量為0.3 mm，能滿足霧炮打藥機的正常工作需求；②在額定工況下，風(fēng)筒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在風(fēng)筒底部，對焊口的要求較高，可將焊口放在風(fēng)筒的正上方，降低失效風(fēng)險；③風(fēng)筒的前四階模態(tài)的振動頻率范圍為70.5～141.2 Hz，當(dāng)外界激勵頻率在此范圍內(nèi)時，應(yīng)注意共振失效問題。