基于ansys workbench的温室电动微耕机履带底盘模态分析

林 颖 陈 骞 魏国俊 王鸿翔 张海军

(1.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2.江苏省农业机械试验鉴定站，江苏 南京 210017；3.江苏电子信息职业学院，江苏 淮安 214153)

0 引言

温室内的旋耕松土作业是设施农业的基础工作，但由于大棚内地形复杂、面积小，田地倾向于脆弱化、零散化，在空间维度上受限制等问题导致平原地区常用的大型农用机械不能进入温室内进行作业。微耕机作为一种适用于设施园艺大棚的微型农业机械，已开始被国内外研究人员关注和研究。

底盘车架是整个微耕机的基本承载部件，其强度、刚度及动力特性等都直接影响着整机的性能和使用寿命；设施园艺温室大棚内存在沟壑、田垄等崎岖路面，微耕机需要具备通过这些路面的能力，同时保持较高的稳定性。当机具获得的激励频率作用频率在机架本身固有频率附近时，底盘会产生不合理振动，出现低频共振现象，影响微耕机作业可靠性。这就需要对微耕机底盘进行的动态性能分析，以获得合理的履带底盘结构[1-2]。

而现有对微耕机的研究大多数停留在静力学分析的层面上，对其进行动力学分析研究的仍然较少。因此，本文基于ansys workbench软件，针对南京农业大学研发的微耕机履带底盘，进行模态分析，找出其前20阶模态的固有频率和振型，使得实际工况下尽量避开低阶频率共振区域，为后续研究、实验提供可靠的理论依据[3]。

1 模态分析基本理论

模态分析一般用于确定结构的振动特性，结构的固有频率和振型被称之为模态，固有频率、振型、阻尼被称之为模态参数，任意一阶模态都有与其相对应的特定的变形模式，这种变形模式被称为模态振型。模态分析过程是计算底盘的多阶固有频率及对应振型的过程，本质是计算结构振动的特征值和特征向量[4]。

结构振动的一般微分方程可描述为：

(1)

式中：M为振动系统的质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F为系统所受的外界激励；x为结构振动的位移向量。

本文研究计算的是微耕机底盘的自由模态：当缺少阻尼及外力时，即底盘处于自由振动时，微分方程简化为：

(2)

由于线弹性系统自由振动可分解成一系列简谐振动的叠加，当位移x=Xsin(wt)，可得：

(3)

式中，φi为各节点位移的振动幅度向量，即结构的固有振幅；wi为与固有振幅对应的结构固有频率[5]。

2 X20IE-4型电动微耕机履带底盘模型建立

该微耕机底盘由12根支撑轮轴、4根导向轮轴、4根张紧轮轴及两根驱动轮轴组成。总长度7400 mm，宽680 mm，内侧宽度设计为420 mm，高度240 mm。利用三维建模软件UG，按照实际尺寸建立如下三维模型，如图1所示。

本次拟研发设计的电动微耕机中的履带底盘采用三角式的履带底盘，并搭配橡胶材质的履带底盘进行温室无人驾驶电动微耕机的设计。通过对履带式电动微耕机性能参数的深入研究，并结合温室旋耕作

1.驱动轮轴；2.导向轮轴；3.支撑轮轴；4.张紧轮轴

业实际生产要求，对驱动轮、导向轮、支重轮、整体车架、张紧机构进行设计，对履带参数进行计算选型。

3 电动微耕机底盘的有限元模态分析

3.1 底盘有限元模型建立及参数定义

本研究对微耕机履带底盘进行了重新设计，改变了其原有的传动形式及控制元件空间布局，并在UG软件中对履带底盘进行建模，将该模型以xt格式导入ANSYS软件，对其进行有限元建模，将底盘材料定义为结构钢，该材料的部分属性参数定义如表1所示。首先，对车架模型进行适当地简化，删除掉对模态和瞬态动力学分析影响较小的细节部分，以免影响整体网格质量。其次，由于车架以焊接成型为主，故在软件中各个零部件均设置成Bonded类型[6]。之后进行网格划分。

表1 结构钢属性参数

底盘有限元模型如图2所示，有限元模型节点总数为7566195个，网格单元总数为4397586个，使用ANSYS的Mesh Metric工具对单元的总体质量进行检查，结果如图3所示，可以看出，单元整体质量较好，单元质量平均值0.747左右，满足分析要求。

图2 底盘有限元模型

图3 底盘网格划分质量

3.2 底盘模态求解与分析

动力学理论认为，实际工程中能够对结构安全产生影响的往往只是低阶的频率振型，所以，只要结构避开低阶频率共振区域，系统就能安全运行[7]。且微耕机底盘的振动源主要是电动机和路面不同度引起的振动，两者均属于低频率振动。所以，对履带底盘进行前20阶模态求解分析。该履带底盘前20阶模态的固有频率分布如表2所示。

表2 车架前20阶模态固有频率

由表2可以看出，该微耕机底盘前6阶模态固有频率较小，在第6阶和第7阶频率之间变化较大，这是由于本文计算的是微耕机底盘的自由模态，自由模态的前几阶固有频率接近于零，这些模态的固有频率为该底盘的刚体模态，一般在工程实际中不予考虑。从第四阶模态固有频率开始，微耕机底盘的固有频率依次上升，且变化无规律可循，底盘第20阶模态的固有频率最大，其值为430.18 Hz。同时，该微耕机底盘的固有频率在163.24、183.39和191.60 Hz处较为集中，应尽量避免这几个频率的振动激励[8]。底盘的部分阶数模态振型分别如图4～图7 所示，图中浅色区域变形量最小，深色区域变形量最大。

图4为微耕机底盘第1阶模态振型，固有频率为0 Hz，由于第1阶模态为其刚体模态，故各个位置均无较大变形。图5为微耕机底盘第4阶模态振型，也是其Z方向第1阶模态振型，固有频率为0.0010317 Hz，可以看出，微耕机底盘的变形程度两端沿Z轴对称分布，底盘中间部分变形量最小，底盘后方的板件变形量最大。图6为微耕机底盘的第5阶模态振型，也是其X方向第1阶模态振型，固有频率为0.0019478 Hz，可以看出，微耕机底盘的变形程度大致沿X轴对称分布，底盘的中间区域变形量最小，底盘前后两端区域的变形量最大。图7为微耕机底盘的第15阶模态振型，为Z方向模态振型，固有频率为302.36 Hz，底盘前端区域变形量较小，底盘后端区域变形量较大。图14为微耕机底盘的第20阶模态振型，依然为Z方向模态振型，固有频率为 430.18 Hz，底盘变形量较为均匀，变形量最大区域集中在底盘后方圆管件处。

图4 第1阶模态振型

图5 第4阶模态振型

图6 第5阶模态振型

图7 第15阶模态振型

需要指出的是：

在所分析的模态振型中，并没有出现Y方向的模态振型，这主要是由于只分析了微耕机底盘前20阶模态振型所致，随着模态振型阶数的进一步提高，将会出现Y方向和混合方向的模态振型，底盘变形量的分布会变得更加复杂，零变形面也会变得更加不规则；在各阶模态振型中，虽然有各个位置对应的变形量，但该变形量的量值并无实际意义，红色区域仅代表在该固有频率的激励下该位置产生的变形较大，但变形量究竟是多少在模态振型云图中无法获取。

4 结语

本研究以一款电动微耕机橡胶履带底盘为研究对象，利用三维建模软件UG建立有限元模型，并对导入ANSYS workbench对该底盘进行模态分析，得到了前20阶模态的变形云图和固有频率，直观反映了微耕机工作时底盘的动态特性，减少了实验成本。

通过有限元计算的结果进行分析得出，该微耕机底盘的固有频率163.24 Hz、183.39和191.60 Hz处较为集中，应尽量避免这几个频率的振动激励，这为后续研究、实验提供可靠的理论依据。