山地烤烟苗期揭膜机机架结构优化

张大斌，余朝静，张纪利，罗建钦，韦建玉*，雷　焱

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001)



山地烤烟苗期揭膜机机架结构优化

张大斌1，余朝静1，张纪利2，罗建钦2，韦建玉2*，雷焱1

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001)

为降低山地烤烟苗期揭膜机机架质量，本文通过DesignModeler建立了山地烤烟苗期揭膜机机架的几何模型，对揭膜机匀速作业和调头两种工况下的机架进行了应力分析，采用多目标遗传算法对机架结构进行了优化。结果表明：机架最大应力出现在揭膜机掉头工况下横梁方钢管与立柱连接处，应力值为123.89 MPa；优化后机架总质量为5.9564 kg，比优化前减轻了19.84%；优化后机架最大应力为129.84 MPa，虽比优化前略重，但远小于机架所用材料Q235的最大许用应力值235 MPa。

山地烤烟揭膜机；苗期揭膜机；揭膜机机架；有限元分析

国内已有不少研究机构对揭膜机进行研究，新疆建设兵团123团修造厂生产了2JMSD-4.5型棉花揭膜机[1]。新疆兵团农机推广站和134团共同研发了CSM-130B型齿链式悬挂收膜机[2]。国外的研究要早于国内，在罗伯森和索依尔研制的地膜回收机中，其工作原理也是通过卷膜辊将地膜直接卷起完成收膜[3]。

然而，国内外现有的揭膜机重量均较大，需要大功率动力机构进行牵引，不适合山区复杂地形作业。针对山区地形研究山地烟草苗期揭膜机将帮助山区烟农快速高效地回收地膜，减轻烟农的作业强度，降低地膜的残留率，减轻地膜对土壤的污染。揭膜机机架作为各部件的承载者，其结构的合理设计对于整机的性能好坏至关重要。面对复杂的山地作业工况，机架的强度要求较高，同时山区地形的不规则性又对整机质量和体积有一定的要求，为了便于机器的转移，机器质量不宜过重。

机架结构作为揭膜机的主要构件，其结构设计是否合理关系到整机的质量和性能[4]。因此，对机架结构进行优化设计对山地烤烟揭膜机轻量化至关重要。本文将对机架方钢管壁厚和钢板厚度进行优化设计，在机架最大应力处于安全范围的前提下，求出最轻机架结构。

1　山地揭膜机机架结构静态有限元分析

1.1山地揭膜机机架结构有限元模型建立

对揭膜机机架结构三维建模前，在能保证充分反映实际机架结构的前提下，为节省计算时间，需对机架机构做一定的简化。主要包括忽略一些非承载件，比如螺栓、螺母等，这些非承载件对结构强度、刚度并没有多大影响[5]。

ANSYS Workbench结构优化设计必须进行参数化建模，而由其他大部分通用三维软件建模导入的模型不能进行参数化，所以为了利用ANSYS Workbench对机架进行结构优化最佳选择是在ANSYS DesignModeler中建立三维模型，并对优化对象进行参数化。

1仿形轮固定板；2松土铲臂；3底盘方钢管；4立柱；5横梁方钢管；6调节臂；7上肩；8切膜刀臂图1　山地烟草苗期揭膜机机架模型

机架结构由薄壁方钢管构成，会产生弯曲、拉压和扭转等变形。因此，根据其结构特点，在对机架结构强度、刚度进行分析时，单元的类型选择以六面体为主，四面体与六面体结合的混合单元。采用这种混合单元所得到的网格质量较好，对提高计算精度、节省计算时间均有很大的帮助。同时，混合单元还能很好的解决局部过渡所产生的病态单元。机架结构方钢管之间的焊缝采用共用节点来模拟[5]，所得有限元模型含95430个网格单元和455906个节点。

1.2机架结构典型工况下应力分析

对于机架结构质量，只需在ANSYS Workbench中输入材料密度，程序便会根据所输入的参数进行计算。机架材料为Q235，最大许用应力为235 MPa。进行机架结构的有限元分析前，需添加载荷和定义边界条件。因机架与各零部件多以面接触为主，所以在各接触面施加均布载荷，对机架与仿形轮连接处和机架与田园管理机联接处施加固定约束。选择匀速作业、调头两种典型工况进行模拟计算，得出机架在匀速作业工况下的应力分布和最大应力位置如图2、图3所示，机架在调头工况下的应力分布和最大应力位置如图4、图5所示。

图2　匀速作业下应力分布

图3　匀速作业下最大应力位置

图4　调头时应力分布

图5　调头时最大应力位置

综合两种分析工况可以看出，机架的应力分布不均匀。匀速作业时，机架底盘方钢管存在应力集中现象，最大应力分布于底盘方钢管开孔处，最大值为26.368 MPa。机器调头工况下机架立柱与底盘方钢和横梁联接处存在应力集中现象，最大应力出现在立柱与横梁联接处，最大值为123.89 MPa。Q235钢材的屈服应力为235 MPa，两种工况下机架都保持在安全范围内。这只是机架结构的初步设计，该方案还存在着一定的弊端，为了最大限度地减小机架质量，同时减少应力集中现象，需要对整个机架各部分方钢管壁厚进行结构优化。

2　山地揭膜机机架结构优化设计

2.1机架结构优化模型

优化设计以数学中最优化理论为基础，以计算机为手段，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。即在所选方案满足了全部的设计要求的情况下，同时所需的支出(如质量、体积、应力应变等)最小[6]。ANSYS Workbench平台提供多种优化方法，本文中采用Multi-Objective Genetic Algorithm--多目标遗传算法中的基于精英策略的多目标非支配排序遗传算法[6]。它是在多目标遗传算法的基础上进行了改进，通过定义拥挤距离估计某个点周围的解密度取代适应值共享来进一步提高计算效率和算法的鲁棒性[7]。

设计变量、状态变量和目标函数总称为优化分析内容[8]。在ANSYS Workbench优化中，由用户定义的参数来指定设计变量、状态变量和目标函数[9]，其数学模型如下：

Vmin≤V≤VmaxV=[V1，V2…，Vn]

Wmin≤W≤WmaxW=[W1，W2…Wn]

minf(V)

式中：v为设计变量；w为状态变量；f(v)为目标函数。

设计变量作为自变量，通过改变它的数值来获得优化结果。优化设计过程中，为改善机架结构的应力分布和质量分布情况，可通过改变机架结构的各部位尺寸来实现，文中选取方钢管的壁厚为设计变量。状态变量是设计变量的函数。本文以减少机架结构应力集中为目的，应尽可能的减少机架结构的最大应力，因此，以机架结构方钢管的最大应力为状态变量[9]。

目标函数作为设计变量的函数，应尽量减小其数值[10]。本文优化设计的目标主要是为了实现机架结构的轻量化，同时能满足强度、刚度要求。因此，文中把机架结构的总质量作为目标函数[8]。

2.2机架结构优化设计

由静态结构分析可知，机架在调头工况下最大应力明显高于匀速作业工况，所以本文将在调头工况对机架进行结构优化设计。通过在ANSYS Workbench中设置优化参数来对机架结构进行优化设计，便可得到设计变量的优化结果，结果如表1。

以车架底盘方钢为例，其厚度在优化过程中的变化情况如图6所示。

表1　设计变量参数选择及优化结果

图6　底盘方钢管壁厚变化曲线

从图6可知机架底盘方钢壁厚在1.8～2.5 mm之间变化。在优化的过程中，ANSYS Workbench不断的对优化参数进行调整，并随着迭代次数的增加，方钢管壁厚值变化的范围会递减，最终达到一个稳定值。通过求解计算得到最优结果为1.8344 mm，迭代次数为220次。

文中机架结构的最大应力值作为状态变量，在机架底盘方钢与立柱交接处初始最大应力为123.89 MPa。在优化过程中，所得到的应力最大值为130 MPa。在优化后，应力的最大值值变为129.84 MPa。目标函数为机架总质量，初始质量为7.4308 kg，优化后的质量为5.9564 kg，目标函数的变化情况如图7所示。

图7　质量变化曲线

从优化结果可以看出，机架结构的总质量减少了19.84%，其效果明显。虽然在实际的生产中，会受到方钢管材料规格的限制和为满足机架结构生产工艺要求，很难达到最优的理想状态，跟理论结果之间会存在一定的误差[6]。但这为机架结构轻量化、合理化设计提供了理论基础和参考。

2.3优化设计前后对比分析

将优化结果中的最佳候选点输入参数复制到当前结构中，更新机架有限元模型，分别对两种工况下机架静态结构分析模型进行求解计算，对比前后两种工况下的最大应力值，其结果如表2。

表2　改进前后两种工况最大应力

从表2的比较结果可以看出，匀速作业工况下机架结构改进后最大应力有所增加，但机架的许用应力远小于材料的许用应力，两种工况下最大应力值变化很小，且都小于材料的最大许用应力值235 MPa。由两种工况下的应力云图可以看出，改进后应力分布更加的均匀。

3　结语

本文基于ANSYS Workbench平台，对机架结构进行有限元模型的建立，选择两种典型工况进行有限元分析，得到机架结构的应力分布情况，机架

所受最大应力为123.89 MPa，且有明显的应力集中现象。采用多目标遗优化传算法对机架进行优化设计，得到机架最大应力值为129.48 MPa，小于材料的最大许用应力值235 MPa，机架质量减少19.84%，优化效果明显。现实生产中受材料规格等因素的制约，实际情形与理论结果还存在一定的差距，但本文结论可为机架的设计提供重要参考。

[1] 汤爱民.2JMSD-4.5型揭膜机、回收滴灌带机[J].新疆农机化，2008(5)：12、25.

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[4] 雷焱，张大斌，曹阳，等. 山地烤烟苗期地膜回收机卷膜辊结构设计[J]. 现代机械，2015，6:41-43.

[5] 许佩霞，蔡炳芳. 基于ANSYS的全地形车车架结构优化设计[J]. 机械设计，2008，12:56-58.

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[7] 吕志军.基于ANSYS Workbench的堆垛机结构优化设计[C].见：全国先进制造技术高层论坛暨第十届制造业自动化与信息化技术研讨会，2011.8，山西太原，机械工业自动化分会或制造技术专业委员会，2011，8.

[8] 王灯，喻道远，舒彪. 基于ANSYS的退火炉台结构优化设计[J]. 机械设计与制造，2012，4:41-43.

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[10]秦斌. 拱桥斜拉扣挂施工中的扣索索力优化研究[D].重庆交通大学，2011.

(责任编辑：江龙)

Optimization Design of Mountain Flue-cured Tobacco Seedling Plastic MulchRemoving Machine Chassis' Structure Based on ANSYS Workbench

ZHANG Dabin1，YU Chaojing1，ZHANG Jili2，LUO Jianqin ，WEI Jianyu2*，LEI Yan1

(1. College of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2. Guangxi ZhongYan Co.， LTD，Nanning 530001，China)

To reduce the mass of mountain flue-cured tobacco seedling plastic mulch removing machine chassis， the geometric model of mountain flue-cured tobacco seedling plastic mulch removing machine chassis was established by Design Modeler. Then the stress on the chassis in constant speed working condition and turn around condition was analyzed and the maximum stress of the chassis at the connection between steel beam and column in the turn around condition was obtained. The maximum stress was 123.89MPa which was within the safty margin. The multi-objective genetic algorithms optimization method was used by putting the chassis'mass as objective function to optimize the structure of chassis in the turn around condition to obtain the optimal thickness of the key square steel tube's wall. The optimal mass of the chassis was 5.9564kg which was decreased 19.84%. The maximum stress of chassis was 129.84MPa which was less than 235MPa--the maximum allowable stress of Q235 which chassis used.

workbench; multi-objective genetic algorithms; chassis; optimal design

A

1000-5269(2016)03-0031-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.09

2016-03-11

广西中烟工业有限责任公司科技项目“山地烤烟地膜、烟杆机械化回收关键技术及多功能机的研制”(合同编号：1212014015)贵州省科技计划《贵州山地残膜捡拾机具研发及应用研究》(黔科合GZ字(2015)3007)

张大斌(1976-)，男，副教授，博士，研究方向：农业机械、先进装备及制造等，Email：332397268@qq.com.

韦建玉，Email：jtx_wjy@163.com.

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