基于ANSYS Workbench的水稻收割機機架的模態分析及優化*

吳艷英，吳錦行

(1.貴州理工學院，貴州貴陽550003；2.貴州民族大學，貴州貴陽550025)

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基于ANSYS Workbench的水稻收割機機架的模態分析及優化*

吳艷英1，吳錦行2

(1.貴州理工學院，貴州貴陽550003；2.貴州民族大學，貴州貴陽550025)

水稻聯合收割機機架是整機的關鍵部件，是其它部件的定位、安裝基礎，其設計質量關系到整機的使用和制造。基于ANSYS Workbench環境對水稻收割機機架進行模態分析，提取其前6階固有頻率及振型，并對振動特性進行研究，針對機架可能產生共振的固有頻率下，變形嚴重部位局部優化后再進行模態分析。對比前后分析數據，表明改進后的機架振動特性優于原始結構的振動特性，改進后的機架結構更合理。分析結果將為機架結構的振動特性分析、振動故障診斷以及結構動態特性的優化設計提供理論依據。

機架 ANSYS Workbench 模態分析 優化

0 引言

小型水稻聯合收割機是用于西南地方山區水稻收割的機器，其中機架是整機的關鍵部件,是其它工作部件的安裝定位基礎，在工作過程中承受相應的工作負載[1]。振動是機器工作時面臨的問題之一，機器工作時由于受到電動機的牽引、割臺的收割作用以及脫粒滾筒的作用等外力及振動的影響，可能會使機架部件發生共振或疲勞甚至破壞。因此掌握機架的振動特性對設計者來說十分重要。模態分析就是確定設計結構或機械部件的振動特性，得到結構的固有頻率和振型，它是動力學研究的重要參數和基礎[2]。

通過模態分析還能發現有害振型和節點位置，通過修正系統的局部結構以改善系統的動態特性，從而得到符合要求的動態強度和剛度[3]。本文在ANSYS Workbench環境下對機架結構進行模態分析，提取機架結構的低階固有頻率和振型，分析現有結構的動態特性，根據分析結果，對機架可能產生共振的固有頻率下，變形嚴重部位局部優化后再進行模態分析提取分析結果[4]。對比優化前后分析數據并評估優化結果，為后續樣機的優化設計提供理論依據。

1 模態分析的理論基礎

假定為自由振動并忽略阻尼時，其方程為：

當發生諧振動，即u=Usin(ωt)時，方程為：

([K]+ω2[M]){φi}=0

故對于一個結構的模態分析，其固有圓周頻率ωi和振型φi都能從上面矩陣方程式中得到[5]。模態分析屬于線性分析一類，在分析過程中只有線性行為是有效的，材料的性質可以是線性的、非線性的、各向同性的、正交各向異性的、恒定的或與溫度有關的，非線性性質被忽略，在分析中必須指定彈性模量和密度[5-6]。

2 建立收割機機架結構的有限元模型

1-割刀安裝梁；2-割臺轉臂縱梁； 3-割臺轉臂立梁；4、8-脫粒滾筒安裝梁；5-主立梁；6-上主橫梁；7-脫粒滾筒橫梁；9-主縱梁；10-鐵皮外殼圖1 機架結構三維模型

ANSYS Workbench軟件有多種與其它計算機輔助設計軟件進行數據交換的接口，其中IGES與PARA是普遍常用的兩種格式。本文采用SolidWorks建立的三維模型[7]如圖1所示，將其導入ANSYS Workbench環境，對其劃分網格生成包含節點和單元的有限元模型，添加材料信息：機架材料為結構鋼，添加的材料信息為：Structural Steel；密度P=7 800 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比μ=0.3。由于固有頻率和振型僅與結構的質量分布和剛度分布有關，所以分析時采用比較均勻的網格，可減少數值計算誤差。網格劃分后得到的有限元模型如圖1所示，該有限元模型有49 836個單元，130 909個節點。

3 機架的模態分析

圖2 模態分析的網格劃分模型

選擇分析類型為模態分析(Modal)，在機架底部梁上施加固定約束。由模態分析理論可知，低階振動對結構的影響比高階振型大[8]。因此設置模態分析的階數為前6階，選擇Solution-Deformation-Total,點擊Solve進行求解。分析完成后，在AWE界面下“Tabular Date”提取前6階固有頻率和振型情況(表1)。

表1 收割機機架模態分析前6階固有頻率與振型

模態階數頻率/Hz振型描述136.435整體變形256.075整體變形379.945前端鼓狀變形499.008后端鼓狀變形5110.54前、中部鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉6113.59前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉

圖3 機架第1階振型圖 圖4 機架第2階振型圖

圖5 機架第3階振型圖 圖6 機架第4階振型圖

圖7 機架第5階振型圖 圖8 機架第6階振型圖

水稻聯合收割機的激勵源主要有發動機、脫離滾筒和上割刀。發動機轉速為1 800 r/min，激振頻率為1 800/60=30 Hz；脫離滾筒轉子1 000 r/min，其激振頻率為1 000/60=17 Hz左右；上割刀390 r/min，其激振頻率為390/60=7 Hz左右，針對以上的外界激振頻率作出共振問題的判斷。發動機的激振頻率為30 Hz，與機架的第1階固有頻率為35.032 Hz非常靠近，可能會引起機架的共振問題，因此對第1階固有頻率下變形較大的部位進行局部優化提高機架固有頻率以避免發生共振。

4 機架的局部優化及模態分析

對第1階固有頻率下機架變形較大的部位進行局部優化，主要措施是增加割刀安裝梁厚度。將割刀安裝梁的厚度由原來的2 mm增加為3 mm，再進行模態分析，提取機架前6階固有頻率和振型情況如表2所示。

表2 收割機機架優化后機架前6階固有頻率與振型

模態階數頻率/Hz振型描述155.609中部變形280.61前端鼓狀變形397.751中部鼓狀變形4100.68后端鼓狀變形5112.11前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉6125.6前端鼓狀變形+割刀安裝梁扭轉

機架優化前后模態分析數據對比如表3、圖14所示。

表3 優化前后模態分析數據對比

通過對比機架優化前后模態分析的前6階固有頻率可知，割刀安裝梁厚度增加1 mm，機架各階的固有頻率均得到提高，改進后的機架最小固有頻率為55.609 Hz，避開了可能發生共振的頻率。優化后的機架振動特性優于原始結構的振動特性，改進后的機架結構更合理，剛度較高，抗振性能較好。

5 結束語

1)建立收割機的有限元模型并進行模態分析，提取機架的前6階固有頻率和振型。對機架受到的外界激振頻率作出共振問題的判斷，可知在第1階固有頻率下，機架有可能發生共振問題；

2)對第1階固有頻率下變形較大的部位進行局部優化，增加割刀安裝梁厚度再進行模態分析，提取機架前6階固有頻率和振型，通過對比機架優化前后的模態分析數據可知，優化后的機架最小固有頻率為55.609 Hz，避開了可能發生共振的頻率；

3)改進后的機架振動特性優于原始結構的振動特性，改進后的機架結構更合理，剛度較高，抗振性能較好。分析結果為機架結構的振動特性分析、振動故障診斷以及結構動態特性的優化設計提供理論依據。

[1] 吳艷英，尹健.基于ANSYS Workbench的自走式山地微型水稻聯合收割機結構的有限元分析[J].現代機械，2014(3)：47-50.

[2] 易日.使用ASNSY6.1進行機構動力學分析[M].北京：北京大學出版社，2002:305-314.

[3] 海倫.模態分析理論與實驗[M].白化同,郭繼忠,譯.北京：北京理工大學出版社，2001.

[4] 鄭磊，尹健，等. 基于ANSYS的脫粒滾筒模態分析[J].農機化研究，2013(4)：48-51.

[5] 浦廣益.ANSYS Workbench 12 基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社，2013.

[6] 黃志新，劉成柱． ANSYS Workbench 14． 0 超級學習手冊[M]． 北京: 人民郵電出版社，2013: 214-217.

[7] 二代龍震工作室． Solid Works + motion + simulation 建模/機構/結構綜合實訓教程[M].北京：清華大學出版社，2009．

[8] 黃天澤.大客車車身[M].長沙:湖南大學出版社，1988:50-165.

Modal analysis and optimization of rice harvester frame based on ANSYS Workbench

WU Yanying，WU Jinxing

The frame of rice combine is the key part of the whole machine, whose design quality is related to the use and manufacture of the whole machine. Modal analysis of rice combine frame was done based on ANSYS Workbench. Natural frequency and mode shape of the front six order were researched, aimed at the frame may produce resonance under the natural frequency, severely damaged parts were optimized and modal analyzed. By the comparison of the two analysis results, showed that the vibration characteristic of the frame is better than the original structure, and the improved frame structure is more reasonable. The analysis results provide a theoretical basis for the vibration characteristic analysis, fault diagnosis and optimal design of dynamic characteristics of the frame.

frame, ANSYS Workbench, modal analysis, optimization

S225.3; S126

A

1002-6886(2016)06-0052-04

貴州理工學院省校聯合基金 (黔科合LH字[2014]7367號 )資助項目。

吳艷英(1985-)，女，貴州安順市人，講師，碩士研究生。 吳錦行(1983-)，男，福建龍巖人，講師，碩士研究生，研究方向：車輛工程。

2016-05-23