農用機械設備底盤車架結構輕量化設計研究

苗 敬

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著現代社會經濟的快速發展，人們的節能環保意識越來越強，對生態環境保護提出了更高的要求[1]。同時，全球能源危機愈演愈烈，許多國家都面臨能源不足的問題。在能源與環保的雙重作用下，輕量化設計開始大范圍應用到許多行業領域中，如各種類型車輛設計等[2]。從20 世紀90 年代開始，我國工程機械領域便認識到輕量化設計的重要性，加大對輕量化技術的開發與應用。我國作為世界上名副其實的農業大國，農用機械的應用十分廣泛，推動農業機械設備的輕量化設計十分有必要。

農用機械在推動我國農業發展上發揮了重要作用，然而在傳統農業機械結構設計過程中，其底盤車架結構設計還是將試驗當成主要手段，通過放大安全系數的方法來提高底盤車架結構的綜合力學性能，保證農業機械工作過程的安全性與穩定性，在這種情況下設計開發的農業機械設備往往具有較大的自重，不僅降低了設備的靈活性，也會消耗更多的能源[3]。所以，將輕量化設計技術引入到農業機械設備底盤車架結構設計中顯得尤為重要。

1 底盤車架結構輕量化設計概述

1.1 重要功能分析

農用機械設備中車架是十分重要的一部分，和設備底盤相連，構成了農用機械的主體結構，決定了許多部件的設計與安裝方式[4]。在農用機械設備當中，不管是車輛懸架系統、發動機、變速箱，還是座椅、轉向機構、傳動部件等，都需要以底盤車架結構為載體進行安裝與工作，并形成一個完整的、功能正常的農用機械設備。農用機械設備在平時工作過程中，設備自身承載力、外部傳遞而來的沖擊力等都需要通過底盤車架結構來承受，所以說，底盤車架結構是農用機械設備的基礎所在，是保障設備穩固運行的重要前提[5]。當底盤車架結構的設計強度偏弱，在受到較大的外部沖擊力或高負荷運行過程中，極易出現變形、斷裂等問題，導致農用機械設備無法正常工作。此外，底盤車架的總體強度還和機械設備的操控存在較大的聯系，良好的底盤車架結構設計有助于增加機械設備操作的安全性、舒適性、靈活性以及可靠性[6]。所以，在實際進行農用機械設備底盤車架結構設計時，要提高其結構設計的科學性，使其具備良好的品質與安全性，不斷調整與改進結構設計，確保其擁有較高的實用性。

1.2 輕量化設計的必要性

將輕量化設計應用到農用機械設備底盤車架結構設計當中，表示的是在保證農用機械設備自身各項功能正常工作，結構強度可以滿足使用需求的基礎之上，基于改善結構類型、結構材質等手段，最大程度降低底盤車架結構自身質量，使得農用機械設備的整體質量更低，進一步提高機械設備運行的靈活性、穩定性以及舒適性等。當下國內外都十分注重輕量化設計，并開展了大量的研究與試驗工作。根據家用轎車的輕量化試驗數據，相同車輛在同樣行駛路況與環境條件下，當汽車的整體質量減少10%，其燃油消耗量將會減少7%左右[7]。通過縮減車輛的燃油消耗量，一方面與當下的“節能環保”理念相一致，另一方面也可以縮減車輛使用中的費用支出。當行駛車輛的整體重量降低，在其他相關參數不變的情況下，會降低車輪和地面的摩擦力，車輛行駛阻力變小，換言之，車輛只需要提供更小的動力便能夠正常工作，從而有效減小了車輛的燃油消耗量，同時防止車輛和地面產生較大的摩擦損傷。

2 輕量化設計在農機設備底盤車架結構設計中的應用

2.1 拓撲優化

在進行農用機械設備開發與設計過程中，拓撲優化是一個較為常見的方法[8]。一般來說，拓撲優化是對設計中的各個槽口、截面以及墻體等尺寸進行調整和改進，在滿足使用強度要求的前提下降低結構質量，從而達到減重的效果。外觀美好是在維持原有農用機械設備拓撲結構的基礎之上，針對已經優化好的農用機械結構連接部位的形狀、大小等進行調整，使其整齊美觀，并得到相應的農用機械物外形。拓撲優化是建立在有限元分析基礎之上的設計手段，將設計過程中滿足條件的材料劃分成有限數量的對象，并針對應用最為廣泛的材料設置增強離散拓撲[9]。在實際進行區間結構設計過程中，徑向元素數量要通過算法獲得，并和其他元素構成完整的拓撲圖，通過拓撲優化獲得拓撲模型。現階段使用較為普遍的拓撲優化手段是動態與瞬態兩種動力學。使用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對底盤車架結構的綜合力學性能進行分析，刪減掉不必要的底盤車架結構部件，實現對結構的精簡，有助于降低軟件的分析負擔，加快軟件分析的速度。圖1 為經過精簡的底盤車架結構，底盤車架橫梁基于不同規格型號的方形鋼管焊接而成，各部分材料均選用低碳合金鋼Q355B，該材料的屈服強度為355 MPa，具有綜合性能好、低溫性能好、沖壓性能好、焊接性能好以及可切削性能好等優勢，該材料的主要參數如表1所示。

表1 底盤車架結構材料主要參數

圖1 精簡后的底盤車架結構

2.2 CAE輕量化設計優化

一般來說，創設新型農機框架可通過下列兩種途徑來實現，首先是優化機械現有設備，其次是引入高科技的設計手段，讓機械設計十分逼真[10]。現階段，這部分的研究問題重點表現為沒有適宜的新材料可以滿足降本增效、環境保護等相關要求。隨著CAD/CAE 技術的不斷發展，有效推動了機械設計技術的創新與進步，該技術涵蓋了ANSYS、UGNX 以及ADAMS 等多種類型軟件，其在機械設計中都有著十分普遍的應用。通過UGNX 的使用可以進一步完善模型功能，然而CAE 的設計改進方法不容易掌控，改進方法即減小農用機械設備底盤車架的整體重量，減小底盤車架結構的最大應力值，確保底盤車架結構的變形量處于合理范圍內。所以，把農用機械設備底盤車架的最大應力值與允許的最大形變量當成目標函數，如公式（1）所示。

其中：

公式（2）中，σmax表示結構最大應力值，單位MPa；maxΔl表示底盤結構的允許最大形變量，單位mm；mmax表示底盤車架結構的總重量，單位kg。

農用機械設備底盤車架結構中，選用槽鋼作為底部承重梁，在這種情況下，農用機械設備底盤車架結構的總體強度受到槽鋼高度、厚度以及腿寬度等參數影響，因此以這些參數為基準設計變量，主要設計變量如表2 所示。

表2 主要設計變量

針對農用機械設備底盤車架結構開展多目標優化，最終獲得的優化模型如下：

2.3 CAE輕量化設計環境

通過傳統三維軟件創建的農用機械設備三維模型，并不能夠與ADAMS 軟件相兼容，必須將其轉化成UGNX 格式，對整體結構規模進行優化，這會給設計工作帶來較大的麻煩。不管是結構尺寸還是目標光的函數關系，其在三維模型中均是有體現的，測量和計算是正比例關系，優化目標的大小要經過上千次計算同時會消耗較多的時間。另外，選取適宜的計算方法是當下迫切需要解決的一個關鍵問題。而UGNX 軟件是一個功能非常完善的軟件，在特定情況下即便在CAD 中也能夠實現零件外形的改變。所以，在利用UGNX 軟件進行設計工作時，可以直接測量零件同時把其轉變成ADAMS 站點，不再需要通過UGNX 再次撥動設備同時二次定義實體。通過輕量化設計后，得到調整后的參數，槽鋼高度、厚度以及腿寬分別是100 mm、5 mm、50 mm。

根據上述參數調整底盤車架結構模型，之后進行模擬分析，得到如表3 所示的結果。從中可以看出，優化后農用機械設備底盤車架結構的最大應力值與最大變形量均出現了下降。

表3 優化前后對比

3 結語

綜上所述，現階段輕量化已經成為機械制造領域十分重要的一個發展方向，然而我國農用機械設備的輕量化設計發展較為緩慢。輕量化設計在保證結構強度的前提下，可降低結構整體重量、提高燃油經濟性、增強設備使用的靈活性與穩定性，我國應重視農用機械設備的輕量化設計，為推動農用機械現代化發展奠定基礎。