板栗脫殼機輕量化設計與研究

［摘 要］ 為解決我國部分地區板栗采摘、運輸到脫殼過程的效率低、繁瑣等問題，設計了一款輕量化的就地板栗脫殼裝備。對機器整體結構進行優化設計，利用ANSYS軟件對機器的機架進行靜力分析，驗證機架結構強度的合理性，在確保板栗脫殼機剛度、強度滿足實際工況的前提下，運用變密度法進行拓撲優化實現結構的輕量化。優化后的脫殼機質量減少了17.039 kg，降低了25%。通過對機器結構的設計與優化仿真分析，設計出了滿足就地脫殼的輕量化板栗脫殼機，為后續的板栗脫殼機設計提供了參考。

［關鍵詞］ 板栗脫殼機； ANSYS； 拓撲優化； 變密度法； 輕量化設計

［中圖分類號］ TB472， TP391.9"" ［文獻標識碼］ A" "［文章編號］ 1003-4684（2024）06-0095-05

板栗是一種山毛櫸科栗屬的植物，通常生長在海拔370～2800 m的山區，已由人工廣泛栽種^[1]。現有的板栗加工流程是：人工摘取山地上的板栗果實，然后將采摘的板栗運輸到山下，最后投入到板栗脫殼機進行脫殼，得到板栗果實。

目前板栗加工流程相對繁瑣，由于受到現有板栗脫殼機體積較大的限制，運輸到山地區域不僅費時費力，還需要鋪設電路供電，成本過高，難以實現山地作業，從而才出現板栗采摘、運輸到脫殼的繁瑣過程，增加了工作強度和人力成本。為方便將板栗脫殼設備運輸到山地區域直接對板栗進行加工，對板栗脫殼機進行輕量化設計尤為重要。盧存壯等^[2]以扇貝脫殼機為分析對象，在滿足實際工況的前提下，應用變密度法進行拓撲優化設計，進而實現了扇貝脫殼機的輕量化設計。裴峻峰等^[3]利用ANSYS有限元軟件對鐵鉆工沖扣鉗殼進行輕量化設計，將自重相對減小11.2%，降低了材料成本。寇保福等^[4]采用ANSYS中的拓撲優化模塊對受料臂架結構進行了優化設計，優化后臂架避開了機構固有頻率，防止了共振的發生，且受料臂架較優化前質量減輕了5.0%。楊雪等^[5]結合拓撲優化設計方法，運用ABAQUS有限元分析軟件對格構式柱進行拓撲優化，實現了工程應用中的輕量化設計。

文中針對現有板栗脫殼機分析，進行便捷式的改良設計，并運用ANSYS軟件對改良設計的整體機架進行靜力學中應力和變形分析，分析云圖數據，確定機器進一步改良與優化的方向，采用ANSYS中拓撲優化模塊，在滿足實際工況中剛度、強度的前提下對板栗脫殼機進行輕量化設計^[6]。

1 現有板栗脫殼機分析

現有板栗脫殼機主要是優丹東先科液壓設備有限公司生產的一系列板栗脫殼機以及北京懷柔區農機研究所研制出的板栗脫蓬機，以其中三款現有板栗脫（殼）蓬機：5LT-315型板栗脫蓬機、580型板栗脫殼機（吸風型）和530型板栗脫殼機（吹風型）為例展開分析，三款現有產品如圖1所示。

三款機器中最早出現的5LT-315型板栗脫蓬機采用主脫蓬輥軸與副脫蓬輥軸相結合的方式對原料板栗進行脫殼處理，在雙輥軸的作用下，提高了脫蓬效率，但是由于雙輥軸同時進行作業，對板栗的劃傷情況也大幅度增加。但是在便捷性上，產品因具有雙輥軸結構較其他兩款機型質量更重，體積更大。

580型板栗脫殼機（吸風型）改變了原有板栗脫蓬后果殼分離的方式，利用電動機轉動，帶動內部風葉產生高速旋轉，經過過濾的空氣進入吸風機產生一定的壓力后，將毛蓬殼、碎屑從風口吹出，使脫蓬的板栗果實更干凈。由于產品運用吸風系統，機器的整體體積增加，導致產品移動、搬運不方便，就脫蓬的清潔效率而言，優于5LT-315型板栗脫蓬機。

530型板栗脫殼機（吹風型）整體結構采用上下排列的方式，在三款機型中體積最小。該機型單輥筒結構的內部采用筒壁凸起輥齒與輥軸輥齒結合的方式進行脫蓬，與5LT-315型板栗脫蓬機相比，530型板栗脫蓬機只對單輥筒的內部結構進行改變，在減小體積與重量的同時，能夠達到與雙輥筒匹配的脫蓬效率，但是移動的便捷性上存在不足。

由上述三種現有板栗脫殼機的分析可知，現有板栗脫殼機輥筒結構滿足用戶對于脫殼工作效率的需求，但是在搬運、移動的便捷性上仍有改進空間。且現有脫殼機存在結構復雜、贅余的問題，導致整體機器的質量較大，不能滿足用戶對于現摘現脫、就地脫殼的操作需求。

2 板栗脫殼機結構設計

板栗脫殼機主要由輥筒、篩網、整體機架，動力系統等部件組成。為使板栗脫殼機達到便捷性目的，本文基于530型板栗脫殼機進行改良設計，將不必要的部件和連接結構減少到最小，確保整機在符合設計要求的條件下保持簡潔，優化機器結構、提高機器的實用性和便捷性。主要改良部分為：板栗脫殼機的機架結構，采用收縮折疊的方式，縮減機器的體積；并通過有限元分析與拓撲優化方法降低機架材料的使用量，減輕機身重量，使用戶易于搬運機器至板栗種植區，能夠靈活地完成就地脫殼工作。板栗脫殼機整體結構如圖2所示。其脫殼過程是帶殼原料板栗從投料口投入到輥筒中，通過輥筒壁凸起多個輥齒和受驅動的軟質層的摩擦和擠壓，將原料板栗的毛殼與果實分離，破碎的毛殼和分離的果實通過篩網過濾脫離，落入輸送弧形板上向下移動，并從下料口掉落到分離箱的吹風腔室中，下落過程中，通過軸流風扇吹風將已破碎的、重量較輕的毛殼從排渣開口吹出，板栗果實掉落在傾斜的吹風腔室底部，從出料開口滾出，實現毛殼與板栗果實的過濾與分揀。

輥軸是板栗脫殼機的核心部件，如圖3為輥筒結構示意圖，通過與輥筒壁凸起輥齒和軟質層的摩擦和擠壓，將原料板栗的毛蓬殼去除，然后經過篩網過濾得到板栗果實。

如圖4所示輥軸結構示意圖，凸起輥齒表面包裹軟性齒套，避免板栗果實在輥齒摩擦和擠壓過程中劃傷板栗表面，同時軟質層表面的多棱凸起能夠增加與板栗毛蓬殼的摩擦與擠壓的接觸點，提高板栗脫殼效率。

機架是機器的主體部分，為滿足就地脫殼的需求，對支架結構進行升降設計，縮小體積，便于移動、搬運，如圖5支架升降結構示意簡圖，在機器工作時，通過轉動把手輪盤利用渦輪結構將機器伸縮柱升高。在不需要工作時，可對機器伸縮柱進行伸縮降低處理，縮小機器整體體積提升便捷性。

3 有限元分析與拓撲優化

3.1 有限元分析

對機器的機架結構形式進行改良設計后，為使板栗脫殼機進一步達到便捷性目的，減輕機器質量，對機器支架進行有限元分析與優化。

板栗脫殼機支架部分是整個機器中承擔重要載荷的部分，優化支架的結構可以顯著改善整個機器的性能，可以最大程度地提高板栗脫殼機的效率和穩定性。此外，在實際應用中，可能存在一些特定的設計約束和限制條件，例如功能性約束、結構強度和穩定性約束、空間限制等，通過僅對支架部分進行優化，可以更好地滿足這些約束，而不會受到其他部件的干擾。其次，選取對機架的有限元分析與拓撲優化，不僅能夠優化機架的整體結構，還可以最大程度地降低機架的重量，達到便捷搬運整機的目的。同時，整體支架部分在整個板栗脫殼機系統中起到支撐和穩定作用，優化將不會犧牲整體的功能和性能，保留了板栗脫殼機的基本功能。最后，板栗脫殼機是復雜的機械裝置，其中包含多個部件和結構。如果對整機進行有限元分析和拓撲優化，計算和優化的復雜度會大大增加，選擇只對支架部分進行分析和優化，可以降低計算復雜度，同時集中精力優化主要承載結構。因此，應用Ansys Workbench 19.2軟件對板栗脫殼機機架進行靜力學分析^[7]，驗證機架結構強度的合理性。

靜力學主要是通過施加約束和載荷的方式來分析結構物體的響應，包括位移、應力等響應^[8]。物體的通用運動學表達方程式為：

Mx¨+c[AKx·〗+Kx=F

[HT]式中：M為結構各個自由度上的質量分布情況；C為結構各個自由度上的阻尼分布情況；K為結構各個自由度上的剛度分布情況；x為結構各個自由度上的位移情況；[AKx·〗為結構各個自由度上的速度情況；x¨為結構各個自由度上的加速度情況；F為結構在外力作用下各個自由度上的受力情況。

時間忽略不計，則由公式可得：

Kx=F

式中：F 為結構所受載荷分布情況。

由此可求得結構位移矢量x。

運用Rhino建模軟件完成板栗脫殼機的模型后，為考慮后續求解的進度，對模型進行預處理，將預處理后的主體支架模型導入Ansys Workbench 19.2中的Static Structural模塊進行靜力學分析^[9]，插入加密方法進行網格劃分，共分為291963個節點和229824個單元，網格劃分結果如圖6所示^[10]。選用304不銹鋼為板栗脫殼機支架的材料，其各屬性數據如表1所示。

根據板栗脫殼機支架在實際使用時的工作情況添加約束與載荷。機架上有輥筒、傳動軸、傳動盤、軸承座等結構，考慮到計算時間與計算精度的問題，將這些部件全部以載荷（表2）的形式加載到板栗脫殼機兩伸縮支架橫梁上。脫殼機輥筒支架通過下端四腿與地面接觸固定，約束支架的自由度。

經過有限元分析評估得到板栗脫殼機支架的等效應力和總變形圖，如圖7、圖8所示。圖7支架總形變圖中，最大形變量為0.0969 mm（保留四位小數），在產品材料的合理變化范圍內。

圖8等效應力圖中，最大應力在支架右腿下部，數值為53.778 MPa。支架所用材料為304不銹鋼，屈服強度為205 MPa，取安全系數1.5，得出許用應力值166.67 MPa遠高于板栗脫殼機支架總應力值。根據板栗脫殼機支架的等效應力和總變形求解得出，機器支架在滿足實際工況的同時，存在輕量化設計的趨勢^[11]。

3.2 拓撲優化

對板栗脫殼機支架進行輕量化處理，采用拓撲優化中的變密度法進行設計^[12]。變密度法是一種離散的拓撲優化方法，它通過對有限單元集合進行增刪和保留來實現最佳的拓撲結構^[13]，改進后構建模型如下：

Find：x=x1，x2，xt，…，xnT

minCx=FTU=UTKU=∑nt=1xtputTk0ut

s.t.V=∑nt=1vtxt=fV0≤V*F=KU0lt;xmin≤xt≤1

式中：x為結構物體中每個離散單元的相對密度；n為結構物體在設計區域內的離散單元總數；F為結構物體上的外部載荷；U為結構在受到載荷作用后的各個離散單元的位移；K為每個離散單元的剛度矩陣之和；p為懲罰因子；ut為第t個離散結構單元在載荷作用下的位移向量；k0為優化前每個離散單元的剛度矩陣；V為每一次優化后結構設計區域內所有離散單元的體積總和；vt為優化后結構設計區域內第t個離散單元的體積；f為設定的優化參數，用于控制優化后結構總體積與優化前結構總體積的比例關系；V0為結構物體優化前的結構體積；V*為設定的優化參數，用于控制優化后結構總體積的上限大小；xmin為結構物體中任意離散單元的相對密度最小值，通常接近于0。

通過計算偏導數來評估設計變量對數據的影響程度，以此來衡量其靈敏度，如：

Fxi=0KxiU+UxiK=0KxiUT+UTxiK=0V*xi=∑ni=1viCxxi=－UTKxiU=∑ni=1x^p－1iuTik0ui

對各種相關因素加以思考，應用拉格朗日函數推算模型在結構應變能最小時的迭代關系^[14]，將設計變量與拉格朗日函數相結合為：

L（xi）=C（xt）=λ1∑nt=1xtvt－fV0+λT2（F－KU）－∑nt=1λ3t（xmin－xt）+∑nt=1λ4t（xt－1）

x^k+1i=∑ni=1px^p－1iuTik0uia1∑ni=1vi（1）

式中：λt，λ2t，λ3t，λ4t為拉格朗日乘子。

根據式（1）可知，通過迭代改變各個單元的相對密度值，可以得到一種結構強度與單元密度之間呈正比例關系的最優解，在滿足約束條件的同時具有最低的應變能。

將ANSYS中的靜力學分析Static Structural模塊與Topology Optimization模塊關聯^[15]，擬定模型結構縮減量為原結構質量的30%，調整參數配置之后對板栗脫殼機支架進行拓撲優化，在經過19次迭代更新后計算結果收斂，迭代收斂曲線如圖9所示。

其拓撲優化前后對比結果以及模型重構如圖10所示，優化后刪除了支架上端多余直角部分，并對支架上端橫梁進行挖孔處理，同時對支架下端主連接橫梁進行挖孔凹槽處理（圖10中黃色顯示），降低材料的使用。對優化后的支架結構通過Geometry模塊進行重構后，進行靜力學分析，等效應力與總變形結果如圖11和圖12所示。

對比板栗脫殼機機架優化前后結果（表3），板栗脫殼機支架質量從原來的67.158 kg降低到50.119 kg，減少了17.039 kg（約25%），應力值由53.778 MPa增加到56.546 MPa，增加了2.867 MPa（約5.33%），仍處于材料的許用應力范圍之內，總形變量從原來的0.0969 mm（保留四位小數）增長到0.0974 mm，增加了0.0005（約0.5%），最大變形量也在合理范圍內。通過拓撲優化結果得出板栗脫殼機支架的應力與形變量滿足實際工況要求，達到了輕量化設計的目標。

4 結論

為實現板栗就地脫殼的目的，對板栗脫殼裝備進行輕量化設計，使用Ansys Workbench中靜力學與拓撲優化對現有的板栗脫殼設備進行分析。基于實際工況與機器受力云圖，確定機器可輕量化的設計區域，采用拓撲優化變密度法完成機器的輕量化設計，測試結果顯示，板栗脫殼機質量比優化前減少25%。對優化后的機器進行靜力學分析驗證求解，分析結果仍滿足實際工況的載荷要求。該方法為相關機械產品的輕量化設計提供了思路。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ 張文斌.自動板栗脫殼機的設計[J]. 農機化研究，2015，37（08）：104-106.

[2] 盧存壯，于魯川，張建華，等.基于拓撲優化的扇貝脫殼機結構設計[J]. 機械設計，2021，38（12）：7-11.

[3] 裴峻峰，時專泰，宋傳智，等.鐵鉆工沖扣鉗殼體輕量化設計[J]. 機械設計與制造，2021（09）：236-240.

[4] 寇保福，霍鵬亮，王志霞，等.基于拓撲優化的排巖機受料臂架結構輕量化設計[J]. 機械設計，2022，39（06）：28-34.

[5] 楊雪，程文明，李銀啟，等.四肢格構式柱金屬結構拓撲優化設計[J]. 機械設計與制造，2021（11）：225-227.

[6] 逯彥紅，紀小坤，王翠，等.某型號渦旋壓縮機機架拓撲優化與可靠性研究[J]. 機械設計與制造，2022（07）：242-245.

[7] 鄧援超，皮瑩，朱天天，等.多功能電動輪椅關鍵機構設計與仿真分析[J]. 機械設計與制造，2022（09）：212-215.

[8] ZHANG L， XI Z Z， LAI S C， et al. Static analysis and modal analysis of heavy-load manipulator based on ANSYS[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，556-562： 1059-1064.

[9] 何吉祥，李聰波，呂巖，等.數控車床主軸單元結構節能性優化設計[J]. 中國機械工程，2021，32（11）：1330-1340.

[10] 牛浩，王震濤，唐玉榮，等.基于ANSYS的殘膜回收機提土篩膜組件機架靜力學及模態分析[J].中國農機化學報，2019，40（12）：190-195.

[11] 孔云飛，吳華偉，蘇文杭，等.基于拓撲優化的FSC鏤空鏈輪設計[J]. 農業裝備與車輛工程，2022，60（03）：29-33.

[12] 于洋，傅浩，范子琦，等.腳限位器L型承載結構的拓撲優化設計[J]. 制造業自動化，2022，44（12）：158-160.

[13] 劉鑌，李勇，申亞琳.基于拓撲優化的航炮炮塔輕量化研究[J]. 兵器裝備工程學報，2022，43（01）：86-92.

[14] 宋雨雨，楊福仁，周文博，等.工業機器人操作臂拓撲優化設計及性能分析[J]. 機械設計，2022，39（S2）：98-102.

[15] 田啟華， 段龍飛， 周祥曼， 等. 高壓輸電線路救援機器人結構設計與優化[J]. 機械設計與研究，2020， 36（02）：1-5.

Lightweight Design and Research of Chestnut Sheller

ZHENG Zufang¹， DU Chongliang^1，2，GENG Mengtian¹， DU Zongkai²

（1 School of Industrial Design， Hubei Univ. of Tech.，" Wuhan 430068， China;2 Xinyang Guangzhen Food Co.， Ltd， Xinyang 464000， China）

Abstract： In order to solve the problem of low efficiency and tedious process of transporting chestnuts after picking them in some areas of China， a kind of chestnuts shucking equipment was designed in this paper. The overall structure of the machine was optimized， and the static analysis of the machine frame was carried out with ANSYS software to verify the rationality of the strength of the frame structure. On the premise of ensuring that the stiffness and strength of the chestnut sheller meet the actual working conditions， the topology optimization was carried out with variable density method to realize the lightweight structure. After optimization， the mass of the sheller is reduced by 17.039kg （25%）. Through the design and optimization simulation analysis of the machine structure， the lightweight chestnut sheller satisfying the local sheller is designed， which provides a reference for the subsequent design of chestnut sheller.

Keywords： chestnut sheller; ANSYS; topology optimization; variable density method; light weight design

［責任編校： 閆 品］

［基金項目］ 教育部人文社會科學研究項目（18YJC760147）； 湖北工業大學校基金（BSQD14050）

［第一作者］ 鄭祖芳（1979-）， 女， 湖北潛江人， 工學博士， 研究方向為概念農機與智能裝備設計。

［通信作者］ 杜重良（1996-）， 男， 河南信陽人， 湖北工業大學碩士研究生， 研究方向為概念農機與智能裝備設計。