基于有限元的农用铣刨机升降装置结构分析及优化

王洪珍 ,孟庆睿, 郑德玺

(1.江苏安全技术职业学院, 江苏 徐州 221011；2.中国矿业大学 机电工程学院,江苏 徐州 221008；3.徐工集团工程机械股份有限公司，江苏 徐州 221004)

0 引言

对于智能农业化生产社区农田道路的施工和养护，每隔几个生产周期就要清除旧的铺层，再进行新层的铺设。由于农用铣刨机具有简单易操作、工作效率高、容易控制铣削深度及铣削的旧料能直接回收利用等特点，广泛应用于智慧农业生产社区中的道路和田埂建设及保养中[1-3]。

某型农用铣刨机升降装置具有支撑车身和调整铣刨深度两个作用，主要由升降内筒、牵引套、筋板、连接板、加强板及螺栓等零件组成，如图1所示。升降内筒内装有升降油缸缸筒，升降系统的牵引套与车架焊接为一体，与升降油缸缸筒用螺栓连接为一体，升降内筒与支重轮总成系统用螺栓通过法兰连接为一体，通过控制升降油缸实现车架连同铣刨转子的上升和下降，完成不同的切削深度作业[4]。由于农用铣刨机工作环境复杂，为了不影响油缸及其密封件的使用寿命，在倾斜的路面作业时，不能依靠升降油缸支撑整车的质量，而是依靠升降装置承受剪切应力以延长升降油缸的使用寿命。因此，对于升降装置的设计显得尤为重要[4-5]。

1 升降装置有限元模型的建立

用UG软件平台建立升降装置参数化三维实体模型，由于模型的倒角、螺纹孔等细小特征对整体性能影响不大，在建模中进行了适当的简化处理，减少了分析计算量[6]。建立的参数化模型通过特定的程序接口与ANSYS Workbench软件进行数据共享与交换，且在Workbench软件中对升降装置进行有限元分析和优化设计。升降装置结构图如图1所示。

1.螺栓 2.牵引套 3.筋板 4.连接板 5.加强板 6.法兰 7.轮架 8.升降内筒图1 升降装置结构图Fig.1 The structure diagram of lifting device

1.1 添加材料属性

在ANSYS Workbench中，定义材料的属性，如表1所示。

表1 升降装置零件材料性能Table 1 The material properties of lifting device parts

1.2 定义零件间接触方式

由于零件间具有装配关系，还需要对零件之间的接触方式进行定义[7]，牵引套与筋板、连接板、加强板以焊接方式连接，升降内筒与法兰也是焊接连接，升降内筒与牵引套在正常工作时无相对运动，因此各零件间接触面的定义采用默认的bonded(粘结)方式。

1.3 升降装置网格划分

本文采用默认的自动网格划分，网格单元尺寸设置为2.e-002m，总计生成41 612个节点，22 876个单元。网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分图Fig.2 The grid partition diagram

1.4 载荷施加和边界条件的设置

某型农用铣刨机工作环境比较恶劣，操作质量为15 000kg，以其最恶劣状态并且充分考虑承受冲击的情况下作为分析状态，即农用铣刨机一侧轮子跨上较大的台阶，并进行大角度转弯，整机处于倾斜状态，且升降装置升至最大高度时进行分析，农用铣刨机重心与升降装置在同一垂直线上[8]，此时施加在后轮升降装置上的力FS=G/2=73 500N，与升降装置倾斜45°，均分在牵引套上端面模拟升降装置实际工作时的受力情况。在法兰的底面施加固定约束，载荷施加载荷和边界约束如图3所示。

图3 施加载荷和边界约束图Fig.3 The load and boundary constraint graph

2 有限元分析结果

2.1 静力学分析

静力分析是指在忽略惯性和阻尼，且充分约束的情况下，静态载荷对结构体所发生的效应[9]。设置完成后，经过对升降装置进行有限元求解，得到其等效应力云图如图4(a)所示，等效应变云图如图4(b)所示。

最大等效应力发生在升降内筒的根部靠近与法兰连接处，大小为σeq=156.72MPa，安全系数为2.26；而最大变形发生在牵引套的上端与机架连接处，最大值位移为1.738mm，能够满足设计要求。

(a) 等效应力云图 (b) 等效应变云图图4 等效应力及等效应变云图Fig.4 The equivalent stress and equieffect cloud graph

2.2 升降装置模态分析

振动模态参数表示结构的动态特性；模态分析是为了计算零部件振动特性(包括固有频率和振型)的一种最基本的动力学分析技术，用以指导设计人员分析预测结构动态特性及振动形式，避免共振的发生[9]。

升降装置的固有频率与外载荷和运动状态无关，通过模态参数的识别，判断升降装置的优劣性，为升降装置系统的振动分析、优化设计及故障诊断等提供依据。在UG平台中建立的升降装置的模型导入到ANSYS Workbench软件中进行模态分析，计算得出前6阶模态振型(见图5)及固有频率(见表2)。

(a) 1阶振型图 (b) 2阶振型图

(c) 3阶振型图 (d) 4阶振型图

(e) 5阶振型图 (f) 6阶振型图图5 模态分析前6阶振型图Fig.5 The first six order modes of modal analysis表2 前6阶固有频率表Table 2 The first six order natural frequencyTable

模态阶数固有频率/Hz模态阶数固有频率/Hz1117.192121.193469.274716.325755.246834

由图5可以看出：1阶是沿Y方向的较小振幅弯曲变形，2阶是沿X方向的较小振幅弯曲变形，3阶是沿Z轴方向的扭转变形，4阶、6阶是沿X轴方向较大振幅弯曲变形，5阶是沿Y轴方向较大振幅弯曲变形，还可以通过Animation对后处理结果进行动态演示和动画输出。由于某型路面冷农用铣刨机发动机转速2 200r/min，频率为36.67Hz， 铣刨转子的转速为100r/min，频率为1.67Hz，都低于升降装置固有频率，不会引起共振，安全性能较高。

3 多目标驱动优化设计

利用UG软件进行参数化建模，设置3个尺寸参数，DS_1(升降内筒外径)、DS_T1(牵引套壁厚)和DS_T2(升降内筒壁厚)，并实现部件间数据关联，将其作为Workbench的输入参数。利用Design Exploration模块采用Goal Driven Optimization(多目标优化设计)方法对升降装置进行优化设计，项目分析流程图如图6所示。

在ANSYS Workbench中输入参数上下极限值由系统默认，为原始值的上下10%，得到15组设计点。将这15组设计点作为参数输入，得到各输出值，即模型质量、最大等效应力及最大总体变形。由于升降装置1阶固有频率最低，对系统影响最大，因此把1阶固有频率也设置为输出参数。通过灵敏度分析得到输出变量对输入变量的敏感程度，如图7所示。本文设置模型质量最小化及1阶固有频率最大化作为设计目标，系统经过计算给出3个候选设计点，如图8所示。通过对目标变量的综合考虑，结合Workbench的等级评价最终选择Candidate B组作为最佳设计点，通过优化设计，最终的输入、输出原始设计及优化设计列于表3。

图6 项目分析流程图Fig.6 The flow chart of project analysis

图7 输出变量对输入变量的敏感度直方图Fig.7 The sensitivity histogram of the output variable to the input variable

图8 候选结果Fig.8 The candidate resultTable

表3 升降装置输入、输出变量及优化设计目标Table 3 The input and output variables and optimization design objectives of lifting device

优化后的升降装置的质量为189.72kg，比优化前的203.25kg减少了6.66;1阶振动固有频率由117.19Hz提高到121.97Hz，提高了系统的安全性；另外，优化后总体变形为1.739 8mm，与优化前1.738mm基本没变，最大等效应力由156.72MPa增加到162.44MPa；45钢的屈服强度355MPa，取安全系数取1.2，许用应力[σ]=295.8MPa，大于其最大等效应力，完全能够满足机构的工作要求。

4 结论

采用ANSYS Workbench软件对某型农用铣刨机升降装置依据实际工况进行了静态、动态有限元分析，并根据分析结果提出优化方案，使用DOE方法得到最佳设计点，优化后的升降装置有效减轻了质量，提高了固有频率，较好地满足机构强度和刚度的要求，达到降低成本的目的，为此类机构和设备的优化设计提供了理论依据和方法。