割草機車架靜特性有限元分析

歐陽兆彰　李偉業

摘 要：車架的靜態特性對割草機的強度、壽命有重要的影響。本文基于有限元分析方法，對自主研發的割草機車架進行靜態分析，得到危險部位，強度校核車架擬使用的材料。評價整車的結構合理性與安全性。本文對車架特性的研究工作，為下一步設計工作提供依據，縮短開發周期，確保整車安全質量。

關鍵詞：割草機車架；靜態特性；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.225

車架是割草機的關鍵承載構件。它不僅承載乘員與割草機構的重量，還將發電機，電動機、傳動裝置等零部件有機連接成一個整體。車架靜態特性對割草機的強度、壽命有重要的影響，是整車設計開發工作中的重要環節。割草機在戶外草坪修剪工作中還承受各種復雜多變的外界載荷，車架必須有合理的強度，才能確保整車的安全性[1]。

江門市公路局與江門職業技術學院聯合開發的新型割草機，三維設計圖如圖1所示。該割草具有自主研發的液壓割草機構，能實現升降、收縮，完成各種草坪的修剪工作要求。因此，整車要承載的的設備較多，車架的安全性十分重要，車架結構如圖2所示。在產品設計初期，建立整車三維模型后，通過ANSYS有限元分析軟件進行靜態特性進行分析，校核強度，確保整車的安全，并為改進設計提供參考意見。

1 車架有限元模型的建立

有限元法的基本思想，把一個連續的彈性體離散成多個的單元組合體來研究，用一個離散結構來代替原來的連續結構，作為真實結構的近似力學模型[2]。割草機的車架由管材焊結而成，并承載復雜的載荷。車架的前端主要安裝液壓升降伸縮割草機構，總重約600公斤；車架的中間主要放置電子設備、油箱與搭載人，估算共500公斤，車架后端主要承載發電機、電動機與減速機構，約重400公斤。根據受力情況，對車架有限元模型施加約束的邊界條件，把乘員以及機械、電子設備等作為載荷轉化為均布力施加在車架上，在ANSYS軟件對模型進行求解[3]。

2 車架靜態特性分析

通過Ansys軟件計算分析，得到車架應力云圖，如圖3所示。可以觀察與分析車架的最大應力位置。車架管的最大應力出現在前段安裝液壓割草機構處，其最大應力為17.3MP。割草機車架擬用的鋼得其屈服極限σb為375～460MPa根據實際情況取安全系數 n=2.5則許用應力值[σ]為150～184 MP，根據有限元分析結果（由圖3可看出）最大應力為由分析結果σmax=17.3MP，即σmax < [σ] 。因此，擬設計的車架的靜態特性能很好滿足強度要求。根據有限元分析的結果，對車架使用材料可使用截面積更少的管材，進一步減輕車架重量，減低造車成本。

3 結語

用ANSYS軟件進行車架靜態分析，得到靜應力的危險部位。強度校核分析表明，車架擬使用的材料能很好滿足車輛承載要求。本文對車架靜、動態特性的研究工作，可為下一步設計工作提供依據，減少割草機開發周期，降低成本，確保整車開發質量。

參考文獻：

[1]Grandhi. Structural optimization with frequency constraints areview[J].Journal.1993，31（12）29-35.

[2]Hyungyil Lee，Heon Seo，Gyungjin Park.Design enhancements for stress relaxation in Automotive multi-shell-structures[J].Nan Ling Campus， Jilin University，2001

[3]張進國，程曉輝，孫敬宜.基于ANSYS的汽車車架結構有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車，2006（05）.

廣東省公路管理局科研項目（項目編號：2013-12）

作者簡介：歐陽兆彰（1982-），男，廣東江門人，機械工程講師，主要從事：機械部件結構設計與優化。