基于ANSYS的半喂入花生摘果机机架模态分析

柴康杰 胡志超 游兆延 张延化 王建楠

摘要：在花生摘果机摘果过程中，由于剧烈的振动，经常会引起摘果机零部件毁坏及机器的故障。为研究是否发生共振，首先利用三维绘图软件Inventor对摘果机机架进行参数化实体建模，接着通过接口将模型导入ANSYS软件中进行模态分析，得到机架前6阶的振动频率分别为24.783、29.496、34.483、42.197、64.033、72.378 Hz，并得到相对应的各阶振型云图，分析出了其固有频率及振型对应的机架变形情况，为后续的减振分析和机架优化提供了理论依据。

关键词：花生摘果机；机架；实体建模；模态分析；固有频率

中图分类号： S225.7+3文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0407-03

花生作为我国最大的油料作物之一，为减轻农民劳动强度，提高工作效率，南京农业机械化研究所研制了半喂入花生摘果机，可实现收获过程中最重要的摘果作业，对实现花生机械化收获有重大的现实意义[1]。但是工作过程中整机的剧烈振动，会导致机器零部件的断裂和机器故障，从而降低了工作效率，严重制约了摘果机的广泛推广。机架作为主要承载部件，不仅承载着动力部件和各种传动链、夹持链、摘果辊等工作部件，而且会受到外界不同的激励，当激振力频率和机架的某阶固有频率接近时，机架就会产生剧烈的振动[2-3]。

模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，通过模态分析可以得到系统固有频率和振型，从而有效地指导工程设计[4]。本研究利用三维建模软件Inventor建立摘果机机架的三维模型，然后导入ANSYS软件对机架进行自由模态分析，了解其结构特性，得到了前6阶固有频率和振型，并输出各阶频率的位移云图，得到其对应的振动变形情况，为摘果机机架的设计和优化提供理论基础。

1模态分析理论

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性，包括结构固有频率和振型分析[5]。通过模态分析，可以分析出结构的振动特性，从而有效地避免机构由于共振引起的强振[6]。通常，高阶振型对结构动态特性的影响不明显，选取低阶振型进行分析[7-8]。

在模态分析时，假定结构的自由振动是多自由度且无阻尼时，它的动力学微分方程可以表示如下：

2建立机架模型

半喂入花生摘果机的机架尺寸：长×宽×高为200 mm×88 mm×115 mm。整机主要由3个部分组成：动力部件汽油机，采用雅马哈MZ175R，其额定功率为3.3 KW，转速为1 800 r/min；摘果辊的主要尺寸为长度1 200 mm，滚筒直径 1525 mm，工作转速371 r/min，每个摘果辊上配有6个叶片，两摘果辊相向、同速转动，完成摘果过程；夹持链采用齿轮链，由电机通过带传动和齿轮传动提供动力，夹持输送速度为 1.025 m/s。

2.1机架有限元模型的建立

由于ANSYS软件三维建模功能较薄弱[12]，而一个模型的建立直接影响着模态分析结果的精确性，利用三维软件Inventor 对整机机架进行实体建模，在相接触的地方设置其为焊接点。为了在分析时划分网格方便，提高计算效率，略去一些对模态分析影响不大的轮廓线、小圆孔、倒圆角等细节[13]。建立的摘果机机架模型如图1所示。

通过Inventor 和ANSYS 的无缝接口，将三维模型直接导入到ANSYS 软件中进行仿真试验[14]，添加材料属性，选择Q235结构钢，它的主要力学力学性能为：屈服极限为 235 MPa，泊松比为0.3，质量密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa。导入后的模型如图2所示。

考虑到摘果机在工作时4个角钢和地面相接触，为近似模拟它的工作状态，应设定4个角钢为固定约束。其他各零部件的接触选择默认设定bonded，由于是对机架静力学模态分析，所以预应力为零。

根据模态分析理论可知，在对机架进行模态分析时，低阶振动对机器结构的影响较大，决定了它的动态特性，所以结合摘果机工作的实际情况，取前6阶的模态进行分析，设定模态数为1～200，其他选择默认选项。

3结果分析

对摘果机进行模态分析，其结果主要包括2个部分：前6阶振动频率图和对应的振型云图。图4为摘果机机架模态分析的前6阶模态的固有频率柱状图，右边显示其对应数值。

架前后方向振动方向一致，最大变形量发生在机架上端。

根据图10变形量可知，最大变形量为12.67 mm。由动态图可以看出，振动方向是机架两侧在宽度方向的扭动，但前后振动的方向相反，最大变形量发生在机架上端。

4结论

通过建立半喂入花生摘果机架的有限元模型，将模型在ANSYS中进行模态分析，得到了机架的前6阶固有振动频率和振型云图，通过分析各阶云图和动态图形变化，得出各阶频率对应的振动趋势。

在得到固有频率后，结合发动机的工作频率和其他工作

[FK（W14][TPCKJ10.tif][FK）]

部件的工作频率可知，除了发动机其他工作部件的频率远低于1阶固有频率，不会引起机器的共振，而发动机的工作频率30 Hz与二阶频率29.9 Hz相近，说明发动机工作时会引起机架的共振。

通过模态分析，为机架的后续改进提供了理论基础。在机架设计过程中，可采用高强度的材料，在易变性的结构处，采用筋结构对其进行加固，均可提高机架的剛度，为保证整机工作过程中稳定性、可靠性、高效性具有重要的现实意义。

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