■ 赵杜超 王玉刚 王永政 张治卫
〔山东天鹅棉业机械股份有限公司研发中心,山东济南250032〕
4MZ-3C型采棉机侧壁焊合,底部连接采棉机车体基架,顶部连接驾驶室托盘,承载着整车操控系统及驾驶人员的生命安全。鉴于侧壁焊合可靠因素的重要性,笔者基于ANSYSWorkbench对侧壁焊合刚度强度及模态特性进行试制前的有限元分析,希望借此指导优化结构设计,缩短产品的研发周期。
(一)有限元基本理论
有限元法结合弹性力学的几何方程、物理方程、平衡方程、边界条件,加之以基于变分法的“化整为零,集零为整”数值方法,以及借助于计算机的强大计算能力,在数天甚至于数小时内即可完成上千阶矩阵方程的求解工作,大大降低了工程人员分析复杂结构性能的工作量。
(二)创建StaticStructural分析项目,并对EngineeringData进行设置,参数如图1所示(结构钢材采用Q345-A)。
自SolidWorks导入三维模型,并进行网格划分。结合笔者计算机性能及工程实际需要,Element size取值为5mm,Nodes规模控制在500万以下。
(三)边界条件及外力状况
A~E为作用的外力,已涵括加速动荷惯量冲击。F为自身重力。G为固定边界:底座和前突出部钢板固定。
(四)方案结果
TotalDeformation:模型最高点悬臂处最大变形量2.9mm。90%的部位变形量控制在1mm以下,符合图纸中对角线变形量不超过4mm的要求。
EquivalentStress:在底部前端个别突兀点出现应力集中情况,可以通过增大倒圆角的办法消除。99%的部分处于90Mpa以下,远小于Q345-A的屈服强度。
(五)小结
考虑到外力施加时已经包括动荷冲击在内的各种极限情况,侧壁焊合在刚度强度方面满足实际工况需求。
(一)模态分析基本理论
在无阻尼系统中,结构振动方程如下。
式中:
[M]——质量矩阵;
[K]——刚度矩阵;
{X}——节点位移向量。
设无阻尼自由振动的解为:
式中:
{φi}——第i阶模态形状的特征向量;
ωi——第i阶自然振动频率;
t——时间。
(二)结构低阶模态解析
1.周边结构共振因素。
出于篇幅考量,此处直接给出模态特性计算结果。
侧壁焊合前6阶固有频率依次为:397Hz、713Hz、782Hz、863Hz、970Hz、971Hz。
驾驶室托盘前6阶固有频率依次为:19Hz、23Hz、30Hz、36Hz、41Hz、51Hz。
车体基架前6阶固有频率依次为:9Hz、13Hz、17Hz、21Hz、22Hz、26Hz。
比较三组数据发现,侧壁焊合的前6阶固有频率远高于其余两者,表明在实际工况下结构共振的可能性几乎不存在。
2.外界激励因素。
路面不平度引起的激励,一般路面为1Hz~3Hz;车辆自身调校不良引起的激励,如液压系统、转向系统,一般处于11Hz以内;发动机的激励,频率f=,其中发动机转速nϵ[850,2100]r/min,气缸数M=6,则fϵ[42.5,105]Hz。以此观之,采棉机在正常工作时,侧壁焊合的低阶固有振动频率远大于发动机的激励频率,不会引起共振现象。