基于ANSYS水稻覆膜直播機機架的有限元分析

丁建梅 胡永冉 丁建華 徐海峰 袁洪棟

摘 要：為使水稻覆膜直播機的機架滿足覆膜直播工作的承載要求，避免機架變形過大影響覆膜平整度，同時為避免機架與發動機等激振源發生共振現象，利用ANSYS軟件對水稻覆膜直播機機架進行靜力學分析以及模態分析。通過對3種材質的機架進行靜力學分析，根據分析結果進行綜合評估，材質Q235的機架為最優。在對Q235機架進行模態分析中，獲得機架的前六階固有頻率。將主要激振源的激振頻率與機架的前六階固有頻率進行比較，其結果說明機架工作中不會發生共振現象。最后通過田間試驗驗證所設計機架能滿足覆膜直播作業的要求。

關鍵詞：水稻覆膜直播機;靜力學分析;模態分析;田間試驗

Abstract：In order to make the frame of the rice mulching direct seeding machine meet the load-bearing requirements of the mulching direct seeding work， avoid excessive deformation of the frame and affect the flatness of the cover， and to avoid resonance between the frame and the excitation source such as the engine， ANSYS is used to perform static analysis and modal analysis on the rice mulching direct seeding machine frame. Through static analysis of three material frames and comprehensive evaluation based on the analysis results， the frame of material Q235 is the best. In the modal analysis of the Q235 rack， the first six natural frequencies of the rack are obtained. The excitation frequency of the main excitation source is compared with the first six natural frequencies of the rack， and the comparison results show that the resonance phenomenon does not occur in the work of the rack. Finally， field tests verify that the designed frame can meet the requirements of the mulching direct seeding operation.

Keywords：Rice mulching direct seeding machine; static analysis; modal analysis; field trial

0 引言

目前，水稻作為主要糧食中的三大部分組成之一，其種植面積占世界糧食種植面積的1/5。在我國的東北三省，春季時期的氣候相較于其他南方省份來說偏干燥和寒冷，而水稻覆膜技術可以很好地解決這一問題。水稻覆膜技術中所用的粘有水稻種子的可降解膜，對土壤能起到保溫、保墑作用。此外，還能減少病蟲害、有效除草和高效節水[1]。但目前水稻覆膜直播過程中機械化水平較低，嚴重限制了水稻的種植生產效率[2]。

水稻覆膜直播機械化作業對于提高水稻種植效率、降低成本和減輕種植戶勞動強度等具有重要意義[3-5]。因而，研究設計出一種水稻覆膜直播機具十分重要。在水稻覆膜直播機研究設計過程中，機架作為整個機器的承重機構，它承載著展平裝置、覆膜裝置以及鎮壓裝置等結構，故機架要滿足其覆膜直播工作的承載要求，應具備足夠的剛度和強度。機架的變形會導致種膜的展平度變差，甚至會發生斷膜的現象，進而影響覆膜效果以及水稻的出苗率。本研究通過對所設計機架進行仿真分析以及田間試驗，驗證了其能滿足作業要求，為機架的結構優化設計提供了理論依據。

1 水稻覆膜直播機機架結構建模

1.1 結構模型的建立

機架主體主要由方管焊接而成。機架長為720 mm，寬為2 750 mm，高為620 mm。在Solid Works中建模，如圖1所示。

1.2 分析前處理

機架主要承受各工作部件以及自身的重力。此外，在覆膜直播工作過程中，機架同時受來自鎮壓輥的拉力。仿真過程中，將機架簡化為橫梁以及豎梁組成的結構。假定機架模型為一整體，將機架模型從Solid Works中導入至Workbench中，進行材料屬性的設置。其材料屬性參數見表1。

將機架模型導入分析模塊，進行網格劃分，網格劃分方法采用四面體劃分法。網格劃分情況為：Q235機架共有775 674個節點，432 279個單元;鋁合金和不銹鋼機架各有774 851個節點、431 729個單元。

2 靜力學分析

2.1 施加約束與載荷

在對機架模型進行仿真分析時，確定正確的邊界條件來限制其位移是獲得較高精度求解結果的前提[6]。仿真分析中，在機架上部的耳板上施加固定約束。設機架自身重力為均布載荷，其他施加在機架上的載荷為集中載荷，且施加在各自的設計位置上[7]。

經研究，整體機架所承受的載荷主要有兩方面：一是機架自身重力及各覆膜工作部件重力對機架的作用，其中粘附有水稻種子的種膜卷對機架也有重力作用，種膜卷安裝在覆膜輥上;二是鎮壓輥在受到前進阻力時機架立梁受到的拉力。其余諸如帶立式座軸承及螺栓等零件的重力作用影響較小，可忽略不計。機架及各部分工作部件質量見表2。

2.2 求解分析

在將約束與載荷施加完成后，分析得到機架的變形云圖如圖2所示，應力云圖如圖3所示。

由圖2可知，Q235機架的最大變形量為2.628 7 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位;鋁合金機架的最大變形量為5.581 mm，最大變形處位于左側立梁下方部位;不銹鋼機架的最大變形量為3.276 3 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位。

由圖3可知，Q235機架最大應力值為188.15 MPa，鋁合金機架最大應力值為167.8 MPa，不銹鋼機架最大應力值為257.57 MPa，

根據材料屬性可知Q235鋼的屈服強度為σb=235 MPa，鋁合金的屈服強度σb=195 MPa，不銹鋼的屈服強度σb=440 MPa。根據使用情況，可取安全系數n=1.2，由公式（5）經計算得出其各自的許用應力分別為195、162.5、366.7 MPa。

在機架結構相同條件下，Q235、鋁合金以及不銹鋼機架質量分別為169.13、66.66、204.55 kg。但鋁合金和不銹鋼材料的價格均高于Q235。綜上，強度方面，Q235和不銹鋼材質機架強度滿足使用要求，鋁合金材質機架不滿足使用要求;重量方面，鋁合金機架重量最小，Q235次之;經濟方面，Q235材料價格最低，經濟適用。故選擇Q235作為機架材料。

3 機架模態分析

3.1 模態分析介紹

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。模態參數可以由計算或試驗分析獲得，這樣一個計算或試驗分析的過程就叫作模態分析[8]。

在模態分析中，振動頻率和模態由方程（6）計算求解：

式中：[K]為剛度矩陣;[M]為質量矩陣;ωi為振動頻率;φi為模態。

3.2 模態分析結果

在對機架進行模態分析時，高階振型對其結構動力學影響較小[9]，故主要分析前六階頻率。進行仿真后，得到機架的前六階模態參數，其中包括機架固有頻率、振型以及最大變形量，見表3。

針對水稻覆膜直播機，引起其機架振動的振源因素由牽引裝置發動機工作時產生的振動以及機器在工作時作業地面平整度不一而引起的振動等。其中發動機對機架的振動影響主要考慮爆發激勵頻率[10-12]，計算公式為：

水稻覆膜直播機牽引拖拉機為直列四缸四沖程的柴油發動機，額定轉速為2 400 r/min，將發動機的相關參數代入公式（7）可得發動機在正常工作情況下的激勵頻率是80 Hz，這一頻率高于機架的前六階固有頻率。因此拖拉機的發動機產生的振動不會與機架造成共振。

4 田間試驗

通過與生產方協調，生產出所設計的整機機器。而后進行田間試驗，檢驗所設計機架對膜平整度的影響，并驗證機架能否滿足要求。

4.1 種膜平整度測定

通過進行田間試驗，測定并計算出了3種不同鏈輪轉速下的種膜平整度。種膜展平度（δ）通過以下公式計算[13]：

根據試驗現場效果以及數據結果看，機器所覆種膜未出現斷膜、雍膜現象，覆膜效果良好。此外3次試驗的種膜展平度平均值為95.17%，符合覆膜要求。

4.2 穴距、行距和穴粒數測定

在水稻覆膜直播機完成鋪膜作業后，要對鋪膜后的種膜的相關參數進行測定，以此來評價水稻覆膜直播機的直播效果。測定的項目包括穴距、行距和穴粒數，測定數據見表5。

根據表5中的試驗數據可知，穴距、行距沒有發生變化，水稻覆膜直播機的作業情況良好，但有水稻種子丟失的現象發生。經分析，造成水稻種子丟失現象發生的原因是種膜在運輸以及覆膜過程中水稻種子發生脫膠現象。該問題可通過完善種膜的運輸過程以及調節種子的黏膠方式來解決[14]。

5 結論

通過ANSYS Workbench軟件對水稻覆膜直播機的機架部分進行了有限元靜力學分析，得到了機架的應力云圖與變形云圖。通過以強度、質量和價格等方面的衡量尺度，對3種不同材質的機架進行比較分析，確定了最優機架為Q235機架。然后，通過對Q235機架的模態分析，得到了機架的前六階固有頻率與振型云圖。進一步分析了影響機架的主要振動因素為發動機引起的振動，將產生振動的主要振源與機架的固有頻率相比對，發現機架模型避開了發動機爆發頻率以及路面激勵頻率，從而確定了機架不會發生共振。此外，通過對整機的田間試驗驗證了其工作性能，也測定了種膜的展平度。試驗結果表明種膜展平度符合要求，機器工作性能良好。

【參 考 文 獻】

[1]張玉良. 水稻機械覆膜裝置研究的重要意義與現狀[J]. 吉林農業， 2014，6（6）： 52.

ZHANG Y L. Significance and status of rice mulching machinery [J]. Jilin Agriculture， 2014，6（6）： 52.

[2]王帥. 2BD水稻種膜覆膜直播機性能試驗[J]. 農業科技與裝備， 2018，6（6）： 18-19.

WANG S. Performance test of film mulching direct seeding machine for 2BD rice seed[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment， 2018， 6（6）： 18-19.

[3]鄒春秀. 水稻機械覆膜直播種植技術的引進與推廣[J]. 農業工程技術， 2018， 38（8）： 40.

ZOU C X. Introduction and promotion of rice mechanical mulching direct seeding planting technology [J]. Agricultural Engineering Technology， 2018， 38（8）： 40.

[4]張亞男. 水稻覆膜旱作的節水增產機理與優化措施[D]. 北京： 中國農業大學， 2017.

ZHANG Y N. Mechanism of saving water and increasing yield and optimization of management in ground cover rice production system[D]. Beijing： China Agricultural University， 2017.

[5]馬軍民， 趙武云， 戴飛， 等. 全覆膜直插式穴播機的設計與試驗[J]. 林業機械與木工設備， 2018， 46（6）： 28-31.

MA J M， ZHAO W Y， DAI F， et al. Design and experiment of a direct insert hill-seeder with whole plastic film mulching[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018， 46（6）： 28-31.

[6]趙武云， 吳勁鋒， 張鋒偉， 等. 三輪農用運輸車機架動靜態特性分析[J]. 農業機械學報， 2005， 36（11）： 29-33. ZHAO W Y， WU J F， ZHANG F W， et al. Analysis of static and dynamic characteristics for three-wheel vehicle frame[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery， 2005， 36（11）： 29-33.

[7]張萬仁， 張洪江， 楊丹. 水稻節水覆膜裝置的研制[J]. 農業與技術， 2015， 35（1）： 69-71.

ZHANG W R， ZHANG H J， YANG D. Development of a film-covered water-saving device for rice [J]. Agriculture and Technology， 2015， 35（1）： 69-71.

[8]丁欣碩. ANSYS Workbench 17.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京： 清華大學出版社， 2017.

DING X S. ANSYS Workbench 17.0 finite element analysis from entry to mastery [M]. Beijing： Tsinghua University Press， 2017.