基于CATIA的大型農具機架有限元分析與結構優化

劉宏新，宋微微，廉光赫

（1.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150040；3.吉林省農業機械試驗鑒定站，長春 130062）

農機具大型化使機架結構愈加復雜，機架的強度、剛度及穩定性等問題突顯。傳統的結構分析方法解決此類問題難度較大，需要大量簡化過程，實際的細微結構與聯接關系無法真實體現，計算精度低，不具實用價值。復雜的計算過程也需很長的計算周期。因此，利用現代技術手段解決此類問題具有現實意義。本文利用CATIA的有限元工程分析模塊，對一種新型農具機架，在三維數字模型上進行有限元分析與結構優化。通過定義其材料、聯接關系、聯接特性及施加載荷等全部的機構與狀態特征，保證分析結果的真實性與實用性。

1 三維模型

研究對象為一種新式橫向分段仿形組合懸掛式大型農具機架，如圖1所示。本文以其應用于受力情況較為復雜的播種機具進行分析，總計24行、行距35 cm的復式平作播種單元被分成三組，其中10行位于中間主懸牽梁8的中間段上，并根據地輪的位置形成3-4-3行的布局，另外兩組各7行安裝于左右兩側的單機梁7上，形成較為獨立并可被單獨懸掛運輸的小型播種機。主懸牽梁由兩部分結構組成。基礎結構是主懸牽梁10，其中間是帶懸掛點、兩端對置矩形框架的單根梁，兩側是用于聯接單機的牽引梁以插接的形式與中間框架組合，并通過螺栓鎖定；輔助結構是主懸牽梁8、水平和垂直的兩組拉筋。若實際工況中主懸牽梁僅采用基礎結構即單根梁，抗彎能力差，在兩側力及力矩的作用下易發生變形。加入輔助結構可提高機架組合后主懸牽梁的鋼度及穩定性，該種結構方案的目的是便于機具的運輸以及組裝的靈活性。主懸牽梁的中間段兼作氣力式排種系統的主氣道及氣壓穩定器，其上開有間距35 cm的通氣孔。機架正對拖拉機的行走帶處設置用于傳動和限制耕深的雙軸地輪9，雙軸之間設有同步裝置，其高度由液壓系統控制。左右單機各通過兩個球形鉸接桿與插裝于主梁上的牽引梁聯接，每組中的兩個球形鉸接桿、與牽引梁及單機前梁上的鉸接點中間段構成一個前寬后窄的等腰梯形。球鉸使單機能夠靈活地相對主梁上下浮動仿形，梯形結構保證單機被牽引作業時的縱向穩定性。機具在整體運輸及地頭轉彎的提升狀態時，左右單機被鎖定機構6限制位置，與主梁形成相對固定的整體，而作業時則解除限制以保證多級仿形的實現，該機構的動作由液壓系統控制。

圖1 大型橫向分段仿形組合懸掛式農具機架Fig.1 Combined suspension frame of large agricultural machinery

主懸牽梁由于位置及功能的要求，其結構及受力最為復雜，對整機的強度及穩定性有重要的影響。以下通過有限元結構分析驗證主懸牽梁輔助結構的有效性。

2 基礎結構分析

2.1 模型處理與定義材料

材料定義：冷軋鋼方管，壁厚8 mm。材料屬性為抗拉強度375～406 MPa；屈服極限235 MPa；泊松比0.3；彈性模量2.06×105MPa；密度7 860 kg·m-3。

2.2 設置虛件

實際工況中，安裝于主懸牽梁上的播種單元、地輪和左右單機的重心位置不在主懸牽梁上，使用虛擬零件可通過它的支撐點在一定距離內傳遞作用效果。虛件的設置需要支撐面，在梁周圍生成0.01 mm的凸臺作為支撐面，如圖2所示。

圖2 支撐凸臺Fig.2 Support convex platform

2.3 創建聯接關系及定義聯接特性

主懸牽梁屬部裝件，需要建立有限元分析專用的聯接特性來明確各零部件之間的聯接特性，包括相互位置及力的傳遞關系等，從而保證載荷和應力應變在部件之間通過聯接特性進行有效傳遞，與真實的受力情況保持一致。

2.3.1 創建聯接關系

中間主梁與兩側單體牽引梁的聯接方式為插接方式，聯接關系為面的接觸聯接。機架其他部位為方管焊接而成，聯接關系為線聯接。

2.3.2 定義聯接特性

主梁插接管與單機牽引梁的聯接特性定義為剛性接觸聯接特性，機架各個矩形方管之間為焊縫聯接特性。如圖3，焊點標注即為焊縫聯接特性，交叉線形狀為剛性接觸聯接特性。

圖3 聯接特性Fig.3 Connections property

2.4 施加約束、載荷

2.4.1 施加約束

人文主義精神是一種普遍的人類自我關懷，表現為對人的尊嚴、價值、命運的維護、追求和關切[4]。受市場經濟等因素影響，我國醫療衛生事業中部分醫務人員道德素質下降，醫患關系日益緊張，對醫學生自身發展和病人健康造成沖擊，醫學的人性光芒日趨黯淡，醫學的人文主義精神衰落，同樣也對整個社會的倫理道德產生嚴重沖擊。為此，加強醫學生人文主義教育成為高等醫學院校思想政治教育的主要任務，具體內容及實施路徑見圖1。

2.4.1.1 最大作業深度

根據機具與拖拉機的聯接方式及實際機組受力狀態，主懸牽梁的約束為三個懸掛點處的鉸接約束和地輪施加的支承約束。

2.4.1.2 懸掛位置機架整體被抬起，主懸牽梁的約束為三個懸掛點處的夾緊約束。

2.4.2 施加載荷

2.4.2.1 最大作業深度

播種機處于最大作業深度位置時，此時機架承受的牽引負荷最大。作業阻力來自于開溝器、地輪、覆土器及鎮壓輪。依據農業機械設計手冊，在8、11 cm測深施肥，5 cm播種情況下，單個雙圓盤開溝器的阻力為160 N，單圓盤覆土器阻力為120 N；鎮壓輪阻力為50 N，滑靴式開溝器阻力為50 N。因此，一個播種單元的工作阻力為380 N。根據滾動系數計算出每側地輪滾動阻力為2 000 N。在實際結構中，作用在鉸接孔和銷軸上的載荷不是簡單的均布載荷，也不是集中載荷，這里可利用施加軸承載荷來模擬等效各鉸支點受力分布情況，計算結果精度可以滿足我們設計的需要。載荷分布如圖4所示，a表示播種單元與地輪工作阻力的均布載荷，b表示球鉸接板處的軸承載荷。

2.4.2.2 懸掛位置

由于整機重量大，幅度寬，在機架懸掛狀態運輸過程中，必須要考慮機架在垂直方向上的受力及變形。懸掛狀態時主懸牽梁上的載荷來自于自重、種肥播種單元、地輪、左右單機組以及顛簸過程中的慣性力。以上載荷值由計算機根據三維模型計算和實物樣機部件測試獲得，其中播種單元的質量為50 kg、地輪組為75 kg，兩者重心距機架上主懸牽梁中心線的距離為66 cm、地輪41 cm，左右單機質量相等，各為600 kg，力分兩個作用點作用在單機梁上，作用點距單機梁中心線的距離為83 cm。種肥箱分為四個作用點平均作用在整個主懸牽梁上，每點作用質量為60 kg。載荷分布如圖5所示，a中紅色箭頭表示梁的自重，放大圖如b；紅色虛線表示柔性虛件，各載荷作用于虛件支撐點，放大圖如c。以上載荷根據樣機實際位置及著力點施加于主懸牽梁上，安全系數取值1.5。

圖4 作業時載荷分布Fig.4 Distribute of load on working

圖5 懸掛時載荷分布Fig.5 Distribute of load on hanging

2.5 計算與分析

2.5.1 應力

結果見圖6。顏色條位置越上面表示應力或應變的數值越大（下同）。

機架在作業及懸掛運輸時最大應力均出現在下懸掛裝置兩側，其最大應力分別為244和316 MPa。

2.5.2 變形

結果見圖7。最大應變均出現在兩側單體牽引梁的外端部，最大變形量分別為13.4和88.2 mm。

圖6 應力云圖Fig.6 Nephogram of stress

圖7 變形云圖Fig.7 Nephogram of strain

3 優化結構分析

由上述結果可見，機架的變形問題較突出，經增加梁方管的壁厚試算，對減小變形量的效果不明顯，而結構上的調整則表現出良好的作用。以不影響梁架功能及不過大增加鋼材使用量為原則，結構做以下優化，即增加輔助結構：在中間主梁后側加設一橫梁，形成雙梁結構；在兩側單體牽引梁前側和上側端部，各加設兩組直徑為24 mm的斜拉鋼筋，水平面及鉛垂面上分別形成穩定的三角形結構，參見圖1所示。兩種工況加入輔助結構后的分析過程與基本結構大致相同。分析前模型簡化處理，在裝配體中刪除主懸牽梁上的通氣管及對應約束，其他簡化同2.1節。

斜拉鋼筋處理用剛度600 MPa（該值由材料決定）柔性彈簧代替，先在中間主懸牽梁左右兩端的對置矩形框上各加兩個剛性虛件，剛性虛件支撐點作為單體牽引梁前側柔性彈簧支撐點，主懸掛裝置處剛性虛件支撐點作為單體牽引梁上側端部柔性彈簧支撐點。結果見圖8。

單機上已設好的0.01 mm凸臺作為柔性彈簧的支撐面，插入用戶軸系確定鋼筋即彈簧的方向，柔性彈簧的設置如圖9所示。

重新計算結果見圖10、11。應力、應變明顯減小。最大作業深度的最大應力由244 MPa減小為60.4 MPa，最大變形量由13.4 mm減小為6.24 mm；懸掛位置的最大應力由316 MPa減小為254 MPa，最大變形量由88.2 mm減小為49.9 mm。

圖8 設置虛件Fig.8 Set up a virtual part

圖9 設置柔性彈簧Fig.9 Set the flexible string

圖10 優化后應力云圖Fig.10 Nephogram of stress after optimized

圖11 優化后變形云圖Fig.11 Nephogram of strain after optimized

4 結論

新式橫向分段仿形組合懸掛式大型機架在118.4～148.0 kW拖拉機配套大豆平作高速精密播種機上應用，試驗效果良好。CATIA的有限元工程分析模塊在解決大型復雜機架結構優化問題上方便、快捷、準確，具有重要實用價值，為復雜機械結構的設計和驗證提供切實可行的技術手段。

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