基于ANSYS Workbench的中耕機力學特性分析

王曉騰

（臨猗縣第一職業中學，山西 臨猗 044100）

中耕是在農作物生長過程中進行的一項田間作業，其主要作用體現在改善土壤結構、增強土壤蓄水能力、消滅雜草和促進有機物分解等方面，中耕作業能在一定程度上改善農作物的生長環境，增加農作物的產量[1]。隨著中國農業機械化進程的推進，農業機械已經應用到了農業生產的各個環節，中耕機是中耕作業的主要機械裝備之一。

中耕機一般由機架、鏟柱和鏟頭組成[2]，按照不同的中耕作業需求，鏟頭主要有除草鏟、松土鏟和培土鏟3 個種類，中耕機在工作過程中，根據不同的作業需求更換不同的作業鏟頭，在3 類鏟頭中，松土鏟所需要的作業功率是最大的[3]。也就是說在松土作業中，中耕機的機身將承受較大的工作載荷[4]，容易使中耕機的機身產生變形甚至損壞。

以某型號中耕機為研究對象，利用ANSYS Workbench 對其在松土作業中的力學特性進行分析，得到了其在松土工作過程中的變形和應力情況，并對其進行了模態分析，為后續中耕機的結構優化提供了數據支持。

1 分析模型

研究對象是一款通用的中耕機，松土作業是其一種工作方式，該中耕機主要由機架、鏟柱和鏟頭組成，中耕機的長度為2 960 mm、寬度為1 300 mm，機架采用100 mm×100 mm×5 mm 的45 號鋼方管焊接而成，鏟柱由厚度為30 mm 的45 號鋼板制成。在工作過程中，每個松土鏟受到的阻力為940 N[5]。由于這里只對中耕機的機架和鏟柱進行研究，因此分析模型將鏟頭部分進行了省略。在不影響分析結果的前提下，對機架和鏟柱的部分特征進行了簡化，分析模型如圖1所示。

圖1 中耕機分析模型Fig.1 The analysis model of cultivator

2 靜力學分析

對于中耕機來說，其工作時的運動可以看成勻速運動，即處于穩態。對于處于穩態的機械結構，靜力學分析是一種有效的力學分析方法。

2.1 靜力學分析預處理

根據上述的中耕機特征參數，建立三維模型并導入到ANSYS Workbench 中，然后在中耕機的3 個懸掛位置分別施加無摩擦圓柱支撐約束[6]，并在每個鏟柱的下端施加940 N的力來模擬中耕機松土作業過程中受到的阻力[7-8]。將中耕機的材料設置為45 號鋼。有限元網格的大小限制為5 mm 以下。

2.2 靜力學分析結果

劃分完網格之后，將分析模型提交求解計算。經過求解計算得到了中耕機的等效應力云圖和總變形云圖。從等效應力云圖中可以看出，在進行松土作業時，中耕機機架的不同部分均出現了較大的應力，特別是懸架與水平架連接位置的應力較大，如圖2所示。其中最大應力值為78.5 MPa，該值遠小于45 號鋼的屈服強度355 MPa，不會發生材料屈服現象，后續可通過增加懸架拉桿的數量來降低懸架與水平架連接位置的應力。

圖2 等效應力云圖Fig.2 The equivalent force nephogram

圖3 是中耕機在進行松土作業時機架的總變形云圖，從總變形云圖中可以看出，水平架的左右兩側和鏟柱的底部均出現了較大的變形，鏟柱下端的變形量較大，最大值為1.9 mm。結合等效應力來看，鏟柱下端出現較大變形主要是由于機架的變形傳遞積累在鏟柱的下端造成的。

圖3 總變形云圖Fig.3 The total deformation nephogram

3 模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，模態分析是研究結構動力特性的一種常用方法。由于土壤特性不均勻，中耕機在松土過程中會受到外界隨機變化載荷的作用，當這些載荷的頻率與中耕機某個模態的頻率相接近時，會發生較大的損害。

3.1 模態分析預處理

在ANSYS Workbench 中建立模態分析項目，并將中耕機的靜力學分析結果作為模態分析的基本條件，由于一個機械結構具有多個模態，根據實際需要，這里將模態分析的階數設為6。

3.2 模態分析結果

通過求解計算得到了分析對象的前6 階的模態情況，前6 階模態的振動頻率見表1，從表中可以看出，分析對象前6階模態頻率的最大值為39.3 Hz，最小值為13.7 Hz，也就是說如果外界施加載荷的頻率與這6 階模態頻率相接近的話，分析對象將發生共振損害。

表1 前6階模態振動頻率Tab.1 The vibration frequencies of the first six modes

4 結論

利用ANSYS Workbench 對某中耕機在松土工況下的靜力學和模態特性進行分析，通過分析得到以下結論。在額定松土工況下，該中耕機所受的的最大應力78.5 MPa，該值遠小于45 號鋼的屈服強度355 MPa，設計是安全的。后續可通過增加懸架的數量優化機架的受力情況，降低自身質量。根據模態分析的結果，該中耕機前6 階模態的振動頻率范圍是13.7～39.3 Hz，當外界載荷頻率在此范圍時，應該注意規避前6階模態的振動頻率，否則容易發生共振損害。