基于ANSYS的刷輥式履帶棉花收獲機底盤車架CAE分析與優化

中圖分類號： S225.91+1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0260-07

Abstract：Due to thecomplex terrain incotton planting areasalong theYangtzeRiverand Yelow River basins in China，as wellas unstabledrivingconditions duringfieldoperations，thisstudydevelopedabrushrolercrawlercotton harvester tailoredfor field harvesting.To ensure thesafetyand structural integrityof theharvester'schasis frame，and to understand itsvibrationcharacteristics，this studyutilized 3Dmodeling software SolidWorks forthedesignof the overall chasis frame.Additionally，ANSYS Workbench wasemployed to conduct static and modal simulation analyses on theentire chasis frame.The simulation resultsafter structural optimization show thatunder static loadconditions， the maximum partial deformation of the chassis frame was 1.929mm ，the maximum deformation of the tracked walking chassis was 1.4363mm ，the maximum equivalent stress of the overall chassis frame was 226.97 MPa，and the average equivalent stress was 5.587 9MPa . These results suggest that the frame meets the safety use standard for practicaluse.To assssthe vibration characteristics，thechasis frame underwent 8-order modal analysis，revealing that the natural frequency range for all modes was below 100Hz ，This indicated that under normal working conditions， thechassis frameispredominantlyafectedbylow-frequency vibrations.Thisalignswiththedesignexpectations of the frame's overall structure.

Keywords：cotton harvester；crawler chasis；ANSYS；structural optimization；static structure；modal analysis

0 引言

我國是世界上最大的產棉國之一，棉產量居世界第一，棉花作為重要的經濟作物，是人們天然紡織品和棉籽油的主要來源[]。棉花是我國國計民生的重要戰略物資和紡織工業的原料，棉花產業鏈條長且涉及多個行業，在國民經濟中占有重要地位[2。我國的棉花種植大體劃分為三大棉區，包括西北內陸棉區、黃淮流域棉區和長江流域棉區[3]。

針對我國內陸地區研制刷輥式履帶棉花收獲機，即集采摘、清雜、輸送、集棉以及卸棉為一體的收獲裝置。履帶式棉花收獲機的底盤車架是整車的重要組成部分，支撐著整車各部件和貨物的重量，且會受到外部力的作用，對整個車架結構的穩定性以及整體的剛度起著至關重要的作用。另外，車輛在作業時，外部載荷增加，對發動機有著更高的動力輸出，為避免整車的結構產生共振，對整車各零部件產生破壞，本文使用ANSYSWorkbench有限元仿真軟件對整個底盤車架開展有限元分析，以確保整車在工作中的安全性和穩定性。

1整機結構與工作原理

1. 1 整機結構

整機主要由工作部件、整機機架、行走部件以及動力系統等組成4，刷輥式履帶棉花收獲機前端包括割臺、棉桃分離裝置等，中間包括駕駛室、氣力輸送裝置、發動機和風機等，后端由棉箱和棉箱固定底座等組成。刷輥式履帶棉花收獲機可依次完成棉花采摘、棉桃分離、清雜、氣力輸送、儲棉及卸棉工序。整機主要設計參數如表1所示。

表1整機主要設計參數Tab.1Main design parameters of the whole machine

1.2底盤車架結構與工作原理

行走部分上層包括駕駛室固定底座、風機固定底座、棉箱固定底座，中間部分包括液壓驅動部分（靜液壓裝置HST）、變速箱、發動機固定底座等，下層（行走部件）由底盤車架、四輪一帶（驅動輪、導向輪、承重輪、履帶）履帶導軌等構成，整機底盤車架結構如圖1所示。行走底盤主要由傳動、行走、轉向和制動等系統組成，整個動力傳動系統主要由發動機、HST、機械變速箱及驅動橋構成。

通過發動機生成動力，帶動皮帶輪到HST輸入端，HST中的液壓泵直接輸出高壓油至液壓馬達，將液壓能轉化為機械能，液壓馬達在高壓油的作用下，產生機械能，由輸出軸輸出到機械變速箱，機械變速箱對動力進行調整和分配，使其適應不同的工作需求；經過機械變速箱，動力被傳遞至連接在驅動橋兩端的驅動輪，驅動輪帶動履帶進行前進或后退動作。

圖1底盤車架整體結構Fig.1Overall structure of chassis frame

2 底盤車架模型前處理

2.1模型建立

底盤車架是車輛關鍵部件之一，是其他系統安裝的基礎，在車輛行駛過程中承受各種方向的載荷[5]。有限元模型的合理性決定了有限元分析結果的準確性和可信度，因此建立精確的車架有限元模型顯得至關重要[6]。底盤車架作為棉花收獲機最重要的承重部件，承載著機器全部載荷與激勵，底盤車架性能優劣直接影響采棉機穩定性[。首先利用SolidWorks按照實際尺寸建立底盤車架結構模型8，收獲機底盤車架的實際結構比較復雜，基于此，在進行后續操作時，需要在如實反映車架結構主要力學特性的前提下對其中的一些結構進行簡化9，在不影響對主要力學特性進行分析的前提下，對導入前的履帶底盤三維模型進行簡化處理，其中包括對固定零部件所使用的螺紋孔進行適當簡化，以及刪除非承重的零部件，以降低模型的復雜度，使用Parasolid（ ? 格式導人底盤車架到ANSYSWorkbench中，仿真結構如圖2所示。

圖2底盤車架仿真結構Fig.2Simulation structure of the chassis frame

2.2 材料物理屬性定義

刷輥式履帶棉花收獲機整體底盤車架全部采用Q235碳素結構鋼焊接組成，車架作為重要的承載結構，定義所使用材料的物理屬性以及力學特性，包括彈性模量、泊松比、屈服強度等，如表2所示。

表2Q235材料物理屬性表Tab.2Physical property table of Q235 material

2.3 網格劃分

網格劃分是將連續的物理模型離散化為有限個單元的過程，網格的質量和密度直接影響仿真速度以及計算結果的可靠性，模型網格大小需嚴格把握，因為網格大小直接影響分析精度和求解效率[10]，本文在ANSYSMesh模塊進行網格劃分，由于整體底盤車架過大，在劃分網格時既要考慮網格精度也要考慮到計算速度，六面體網格計算精度相對較高，能夠準確模擬出結構應力分布的狀況和變形情況，因此采用六面體網格劃分。對生成后的非六面體網格采用重新劃分，共得出736195個節點，112661個單元，網格劃分如圖3所示。

2.4 載荷與約束條件

載荷與約束的施加對于分析整個底盤車架在靜態載荷作用下的真實受力情況有著重要作用，采用均布載荷的方式對優化后的整個底盤車架進行載荷施加以及約束，忽略液壓元器件和部分車體外殼等相關部件的重量，考慮到模型的復雜程度，在進行有限元仿真時根據實際部位的承重把非承重部件直接施加到上車架，如圖4所示。

3底盤車架靜力學仿真

靜力學主要用于分析底盤車架靜態載荷作用下的結構響應，如對結構的變形、應力以及應變等參數進行模擬和分析[1]。仿真分析可以幫助評估底盤車架結構的強度、剛度和穩定性，為設計優化提供參考。

靜力學結構分析通常是對模型結構在給定載荷下的響應進行分析，涵蓋結構的應力、應變等方面。線性靜力學是靜力學最基礎的一類問題，基于經典力學理論，系統的動力學方程如式（1）所示。

式中： M （2號 質量矩陣；c 阻尼矩陣；κ 系統剛度矩陣；F 外載荷；x、 、 X 一 一系統加速度、速度及位移。

根據線性靜力學的定義可知速度及加速度為0，時間 Ψ_t 在方程中沒有變化，載荷恒定，因此時間 χ_t 將忽略不計，簡化后表達如式（2）所示。

[K]{x}={F} （2式中： [K] 常量矩陣；{F} ———結構所受載荷，忽略時間及慣性影響。

3.1底盤車架靜力學有限元結果分析

有限元分析結果的準確性對于車輛結構設計具有十分重要的意義，而結果的準確性往往與幾何模型的設計密切相關[12]。對底盤車架進行靜力學有限元分析如圖5和圖6所示。

1）應力分布：車架最大應力值為 304.72MPa ，如圖5（b）所示，超出所選用材料的最大應力值，存在應力集中且過大現象，整體底盤車架的等效應力的平均值為 6.6135MPa 。

2）變形情況：整體底盤車架在有負載工況下，變形過度，最大變形量為 2.2759mm ，如圖6（a）所示，車輛行走底盤最大變形量為 1.9848mm ，如圖6（b）所示。整體車架平均應力不能達到安全使用要求，另外，整體車架應變仿真結果也存在變形量過大現象。

3.2 底盤車架結構優化

車架的剛度表征著車架在受力時抵抗變形的能力，較高的車架剛度能避免車輛在行駛過程中由于車輪承受載荷不一致或車身重心偏移時產生過大的彎曲或扭轉變形[13]。為保證履帶底盤車架能夠達到安全使用標準，需要對其底盤車架結構進行優化。（1）針對棉箱底座橫梁與前方連接處添加加強筋，可增強連接部位處的結構強度，確保棉箱底座的變形量在可接受范圍。（2）對履帶底盤4個角處，添加三角橫梁支撐，三角橫梁支撐結構具有極高的穩定性和承載能力，能夠有效地分散底盤所承受的載荷，提高底盤的整體剛度。（3）確保符合Q235材料屬性標準，降低底盤車架的等效應力結果以及棉箱底座最后方的橫梁處變形量結果。ANSYSWorkbench提供平臺數據傳輸功能，將優化的結構數據傳輸到優化完成后的新建項目中，將優化完成的履帶底盤車架導人到ANSYSWorkbench中，如圖7所示。

3.3 優化結果分析

對底盤車架進行結構優化，確保整個底盤車架結構能夠在靜態載荷的作用下達到安全使用標準。對整個底盤車架進行靜力學分析，優化后的仿真結果表明：整個底盤車架最大部分變形量為 1.929mm ，履帶行走底盤最大變形量為 1.4363mm ，整個底盤車架的最大等效應力為 226.97MPa ，平均等效應力為 5.587 9MPa 。根據ANSYSWorkbench有限元仿真結果表明，所選用材料Q235碳素結構鋼的物理屬性能達到安全使用標準，整體車架結構設計合理。

4底盤車架模態分析

4.1 理論基礎

模態分析常用于研究機械動態特性，模態是指機械的固有特性，在設計機架時，為避免共振問題需確定機架的固有頻率和振型[14.15]，模態分析是用于確定所設計結構的振動特性（固有頻率和振型），在模態分析中，固有頻率和振型是常用的分析參數。為了避免底盤車架在工作過程中發生共振，利用ANSYSWorkbench對底盤車架進行模態分析[16]，模態分析是常用的動力學分析方式，是用結構的頻率、阻尼和振型等固有動態特性來描述結構本身的過程，模態分析是其他動力學分析的基礎，如式（3）所示。

式中：μ、μ、μ 一 系統加速度、速度及位移。

在無阻尼自由振動情況下， F（t）=0 運動方程簡化得式（4）。

求解可以得到結構的固有頻率 ω_i ，如式（5）所示。

（K-ω²[M]）=0

通過ANSYSWorkbench有限元分析軟件中Modal模塊，對底盤車架進行預應力模態分析，采用8階模態分析方法，一般而言，動態特性受低階振動頻率及振型的影響最大[17，18]，低階振型決定結構的動態特性，通過不同頻率下的模態形狀，分析不同振型對底盤車架各部件的影響程度[19，20]。（1）通過模態分析可得結構的固有頻率，即在不受外部激勵的情況下結構自然振動的頻率，這些頻率對于了解結構的動力學行為和預測共振現象非常重要。（2）通過模態分析可以確定在結構振動中具有重要貢獻的質量和剛度集中的位置，這有助于優化結構設計，提高結構的動態性能。（3）模態分析旨在分析所設計底盤車架固有頻率是否避免了地面和發動機激勵引起共振，其核心目標為最大程度減少共振狀況的出現，從而確保底盤車架在運行過程中穩定性與可靠性的評估。

4.2 模態計算結果

基于ANSYSWorkbench對刷輥式履帶收獲機的整體底盤車架進行8階預應力模態仿真分析和約束模態仿真分析，從仿真結果對比來看，固有頻率和最大變形量結果基本一致，從結構動態特性方面來看，該車架主要受到低頻振動影響，如表3所示。

表3模態仿真計算結果Tab.3Modal simulation calculation results

4.3底盤車架模態結果分析

1）固有頻率分析。根據對整體底盤車架的預應力模態分析，由圖8可知，整體車架的主要振型表現為彎曲以及扭轉。另外，隨著模態階數的增加，各階模態的固有頻率逐漸增大，最大變形量發生在4階和第8階模態振型，其值為 11.749mm 和 11.902mm .整體模態分析的固有頻率全部都在 100Hz 以下，分布在中低頻率段，符合底盤車架的設計要求。

2）振型特征分析。如圖8所示，在第 1～3 階模態振型特征云圖中，整體結構振動主要在后端棉箱底座，第1階主要表現為棉箱最后的支撐橫梁沿 X 軸發生扭轉，第2階主要表現為棉箱底座沿 Y 軸方向發生翹起，第3階主要表現為棉箱底座沿 X 軸方向扭轉。在第4到第8階模態特征振型云圖中，振型主要在駕駛室底座，第4階主要表現為駕駛室底座沿 Y 軸方向翹起，第5階主要表現為駕駛室發生扭轉，第6階主要表現為駕駛室右角處沿 Y 軸方向發生翹起，第7階主要表現為上層車架發生扭轉以及彎曲，第8階主要表現為駕駛室底座沿Y軸方向翹起。

3）結果及后續優化。綜合8階模態仿真結果來看，振動主要在駕駛室固定底座以及棉箱固定底座，振動較為強烈，而履帶底盤整體振動相對較小。主要為低頻振動，對于高頻振動不敏感，低頻振動較為緩慢以及振動周期較長，主要受到發動機的運轉以及路面顛簸帶來的激勵，這符合采棉機收獲時的動態特性。

通過對底盤車架的模態仿真，了解整體底盤車架主要受到低頻振動的影響，提出后續優化方法：（1）增加整體結構的剛度，對應力、應變過大處采用加厚零件進行替換，合理增加連接部位的加強筋增加結構支撐強度。（2）對底盤車架上的重要承重部件進行合理的重心分布，避免因負載不均衡導致振動加劇，使其在工作中最大限度的達到動平衡狀態。（3）對發動機、風機以及割臺振動頻率較大的工作部件合理增加阻尼以及橡膠墊片，以減少振動的傳遞。

4.4 田間試驗

為驗證底盤車架的安全性，基于有限元仿真結果，對整個底盤車架進行樣機加工，并展開田間試驗驗證。試驗地點位于河北省唐山市某棉花種植試驗田內，該試驗田地處我國黃河流域小地塊棉花種植區，該棉花試驗田種植模式均為 75cm 等行距種植，田間試驗作業如圖9所示。

圖9 田間試驗 Fig.9 Field Test

對樣機進行測試試驗，旨在全面評估其在實際田間作業場景下的性能表現。試驗結果表明：在整機田間直線行駛試驗環節，以 4km/h 的中速進行收獲作業時，整機在面臨田間不確定環境時運行表現平穩，履帶對棉花植株碾壓量較少，履帶對地面的接地比壓較大，有效分散了對地面的接觸力，對土壤壓實量、破壞力較小。整機田間掉頭響應迅速。田間試驗結果表明，整機性能表現良好，可以完成黃河流域小地塊棉花機械化收獲作業。

5 結論

1）通過靜力學有限元分析，對存在問題的部分結構進行優化，得到整個底盤車架的整體應力分布以及變形情況，該底盤車架整體變形結果為最大部分變形量為 1.929mm ，履帶行走底盤最大變形量為1.4363mm ，整體底盤車架的最大等效應力為

226.97MPa ，平均等效應力為 5.587 9MPa 。符合所選用材料Q235的物理屬性，能達到安全使用標準。

2）通過前期對整體車架的模型進行靜力學分析，根據靜力學對整體底盤車架展開預應力8階模態分析，確定各部位結構設計的振型特征。整體來看，通過對整體底盤車架的8階模態分析，車架整體固有頻率相對較低，以低階頻率為主導。

3）對樣機進行直線行駛以及田間轉彎掉頭等多項測試試驗，評估安全性和可靠性。田間試驗表明：該機可以實現小地塊機械化收獲作業，有效填補地形因素導致大型棉花收獲機作業困難的短板，并顯著提升整體作業效率。

參考文獻

[1]楊兆光.棉花木質素代謝調控關鍵因子的鑒定與功能解析[D]．石河子：石河子大學，2024.Yang Zhaoguang. Identification and functional analysisofkey regulators in cotton lignin metabolism[D]. Shihezi：Shihezi University，2024.

[2]吳傳云，馮健，陳傳強，等．我國棉花產業現狀與機械化發展情況分析[J].中國農機化學報，2021，42（5）：215—221.Wu Chuanyun， Feng Jian， Chen Chuanqiang，et al.Analysis of the status quo and mechanization developmentof cotton producing industry in China [J]. Journal ofChinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（5）：215—221.

[3]陳長林，石磊，孫勇飛，等.適合我國長江流域棉區的棉花機械化收獲技術路線[J]．中國棉花，2019，46（12）：36-38.Chen Changlin，Shi Lei，Sun Yongfei，et al.Productiontechnology route of cotton mechanized harvest in theYangtzeRiverValley[J].China Cotton，2019，46（12）：36-38.

[4]趙建柱，王楓辰，于斌，等.農用仿形履帶式動力底盤設計與試驗[J].農業機械學報，2014，45（9）：20—24.Zhao Jianzhu，Wang Fengchen，Yu Bin，et al.Researchonall-terrain profiling crawlerpower chassis[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2014，45（9）：20—24.

[5]方朝，趙尚義，嚴格，等．電動汽車車架的多目標拓撲優化一尺寸優化一精細化設計[J]．機械設計與制造，2023（8）：16-22.FangChao，Zhao Shangyi，Yan Ge，etal.Multi-objectivetopology optimization，size optimization and detailed designofframe for an electric car[J].Machinery Designamp;Manufacture，2023（8）：16-22.

[6]何文斌，姚恒陽，馬軍，等.純電動乘用車車架模態分析及結構強度分析[J]．機械設計與制造，2020（9）：235—238.He Wenbin， Yao Hengyang， MaJun， etal.Strength analysis and modal analysis of frame structure ofManufacture，2020（9）： 235-238.

[7]王光恒．自走式采棉機機架振動分析與結構改進[D]．石河子：石河子大學，2023.Wang Guangheng.Vibration analysisandstructureimprovement of self-propelled cotton picker frame [D].Shihezi： Shihezi University，2023.

[8］田耘，趙亞祥，劉選偉，等．基于ANSYSWorkbench 的多功能旋耕機機架的模態分析[J]．中國農機化學報，2015，36（6）：1-3，18.Tian Yun， Zhao Yaxiang，Liu Xuanwei，etal.Modal analysis of multifunctional rotary cultivator framebased on ANSYS Workbench [J]. Journal of ChineseAgricultural Mechanization，2015，36（6）：1—3，18.

[9]王想到，胡東方，杜艷平．玉米收獲機底盤車架有限元分析及試驗[J].中國農機化學報，2014，35（2）：213—215，234.Wang Xiangdao， HuDongfang， Du Yanping. Finiteelement analysis and testing ofcorn harvester chassisframe [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2014，35（2）：213—215，234.

[10]李遠志，張曉光．平板式半掛車車架模態與完全法諧響應分析[J]：農業裝備與車輛工程，2023，61（6）：16—20.LiYuanzhi， ZhangXiaoguang. Modalandfullmethod harmonic response analysis of flat-plate semi-trailer frame [J]. Agricultural Equipment amp;VehicleEngineering，2023，61（6）：16-20.

[11]王俊躍，戴曉軍，王聰偉，等．基于ANSYSWorkbench的方捆機刀架靜力學與模態分析[J]．中國農機化學報，2021，42（12）：9-16.Wang Junyue，Dai Xiaojun， Wang Congwei， et al.Statics and modal analysis of square baler tool rest basedonANSYS Workbench[J].Journal ofChineseAgricultural Mechanization，2021，42（12）：9—16.

[12]李千千．全地形越野車車架結構強度與剛度分析[J]．汽車實用技術，2022，47（9）：55-61.Li Qianqian. Analysis of the structural strength andstiffness of the all-terrain off-road vehicle frame [J].Automobile Applied Technology，2022，47（9）： 55-61.

[13]李曼莉，王永濤．某輕型商用車車架多性能約束下的輕量化研究[J]．機械設計與制造，2024（7）：326—330.Li Manli，Wang Yongtao. Research on lightweight of alight commercial vehicle frame under multi performanceconstraints [J].Machinery Design amp;Manufacture，2024（7）：326—330.

[14]張佳喜，楊程，張麗，等．玉米起茬機構的強度及振動特性分析與試驗[J]．農業工程學報，2018，34（12）：72-78.Zhang Jiaxi，Yang Cheng， Zhang Li， et al. Analysis andexperiment on strength and vibration characteristicsof corn stubble plucking mechanism [J]. Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering，2018，34（12）：72-78.

[15］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.Niu Hao， Wang Zhentao， Tang Yurong， et al.Statics and modal analysis of the frame ofsoil-lifting screenmembrane component for residual-filmrecycling machine based on ANSYS [J]. Journal ofChinese Agricultural Mechanization，2019，40（12）：190—195.

[16]楊艷峰．挖樹機底盤總成結構設計及有限元分析[J]．農業裝備與車輛工程，2023，61（9）：133—136，144.Yang Yanfeng. Structure design and finite elementanalysis of tree digger chassis assembly [J]. AgriculturalEquipmentamp;Vehicle Engineering，2023， 61（9）：133—136，144.

[17］李鵬，石永康，萬曉燕．四旋翼農業無人機模塊化設計及有限元分析[J].中國農機化學報，2024，45（5）：210—216.Li Peng， ShiYongkang，Wan Xiaoyan.Modulardesign and finite element analysis of quadrotor agriculturalUAV [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2024，45（5）：210—216.

[18］翟之平，張龍，劉長增，等．秸稈拋送裝置外殼振動輻射噪聲數值模擬與試驗驗證[J]．農業工程學報，2017，33（16）：72-79.Zhai Zhiping， Zhang Long， Liu Changzeng，et al.Numerical simulation and experimental validationofradiation noise from vibrating shell of stalk impellerblower[J]. Transactions of the Chinese SocietyofAgricultural Engineering，2017，33（16）：72-79.

[19]李耀明，孫朋朋，龐靖，等．聯合收獲機底盤機架有限元模態分析與試驗[J]．農業工程學報，2013，29（3）：38—46，301.Li Yaoming，Sun Pengpeng，Pang Jing，et al. Finiteelement mode analysis and experimentofcombineharvester chass [J]. Transactions of the Chinese Societyof Agricultural Engineering，2O13，29（3）： 38-46 ，301.

[20]李有志，郭俊先，張麗，等． 4FY-0.8B 型移動式生物質固化成型車螺旋輸送系統的改進設計與仿真分析[J]．中國農機化學報，2016，37（12）：131—135.LiYouzhi，GuoJunxian，ZhangLi，etal.Improveddesign and simulation analysisofscrewconveyer system for 4FY - 0.8B mobile biomassdensification briquetting vehicle [J]. Journal of ChineseAgriculturalMechanization，2016，37（12）：131—135.