山地烤煙苗期揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張大斌，余朝靜，張紀(jì)利，羅建欽，韋建玉*，雷　焱

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

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山地烤煙苗期揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張大斌1，余朝靜1，張紀(jì)利2，羅建欽2，韋建玉2*，雷焱1

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

為降低山地烤煙苗期揭膜機(jī)機(jī)架質(zhì)量，本文通過DesignModeler建立了山地烤煙苗期揭膜機(jī)機(jī)架的幾何模型，對揭膜機(jī)勻速作業(yè)和調(diào)頭兩種工況下的機(jī)架進(jìn)行了應(yīng)力分析，采用多目標(biāo)遺傳算法對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明：機(jī)架最大應(yīng)力出現(xiàn)在揭膜機(jī)掉頭工況下橫梁方鋼管與立柱連接處，應(yīng)力值為123.89 MPa；優(yōu)化后機(jī)架總質(zhì)量為5.9564 kg，比優(yōu)化前減輕了19.84%；優(yōu)化后機(jī)架最大應(yīng)力為129.84 MPa，雖比優(yōu)化前略重，但遠(yuǎn)小于機(jī)架所用材料Q235的最大許用應(yīng)力值235 MPa。

山地烤煙揭膜機(jī)；苗期揭膜機(jī)；揭膜機(jī)機(jī)架；有限元分析

國內(nèi)已有不少研究機(jī)構(gòu)對揭膜機(jī)進(jìn)行研究，新疆建設(shè)兵團(tuán)123團(tuán)修造廠生產(chǎn)了2JMSD-4.5型棉花揭膜機(jī)[1]。新疆兵團(tuán)農(nóng)機(jī)推廣站和134團(tuán)共同研發(fā)了CSM-130B型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)[2]。國外的研究要早于國內(nèi)，在羅伯森和索依爾研制的地膜回收機(jī)中，其工作原理也是通過卷膜輥將地膜直接卷起完成收膜[3]。

然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的揭膜機(jī)重量均較大，需要大功率動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行牽引，不適合山區(qū)復(fù)雜地形作業(yè)。針對山區(qū)地形研究山地?zé)煵菝缙诮夷C(jī)將幫助山區(qū)煙農(nóng)快速高效地回收地膜，減輕煙農(nóng)的作業(yè)強(qiáng)度，降低地膜的殘留率，減輕地膜對土壤的污染。揭膜機(jī)機(jī)架作為各部件的承載者，其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對于整機(jī)的性能好壞至關(guān)重要。面對復(fù)雜的山地作業(yè)工況，機(jī)架的強(qiáng)度要求較高，同時山區(qū)地形的不規(guī)則性又對整機(jī)質(zhì)量和體積有一定的要求，為了便于機(jī)器的轉(zhuǎn)移，機(jī)器質(zhì)量不宜過重。

機(jī)架結(jié)構(gòu)作為揭膜機(jī)的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到整機(jī)的質(zhì)量和性能[4]。因此，對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對山地烤煙揭膜機(jī)輕量化至關(guān)重要。本文將對機(jī)架方鋼管壁厚和鋼板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在機(jī)架最大應(yīng)力處于安全范圍的前提下，求出最輕機(jī)架結(jié)構(gòu)。

1　山地揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)靜態(tài)有限元分析

1.1山地揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)有限元模型建立

對揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)三維建模前，在能保證充分反映實(shí)際機(jī)架結(jié)構(gòu)的前提下，為節(jié)省計(jì)算時間，需對機(jī)架機(jī)構(gòu)做一定的簡化。主要包括忽略一些非承載件，比如螺栓、螺母等，這些非承載件對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度并沒有多大影響[5]。

ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)必須進(jìn)行參數(shù)化建模，而由其他大部分通用三維軟件建模導(dǎo)入的模型不能進(jìn)行參數(shù)化，所以為了利用ANSYS Workbench對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化最佳選擇是在ANSYS DesignModeler中建立三維模型，并對優(yōu)化對象進(jìn)行參數(shù)化。

1仿形輪固定板；2松土鏟臂；3底盤方鋼管；4立柱；5橫梁方鋼管；6調(diào)節(jié)臂；7上肩；8切膜刀臂圖1　山地?zé)煵菝缙诮夷C(jī)機(jī)架模型

機(jī)架結(jié)構(gòu)由薄壁方鋼管構(gòu)成，會產(chǎn)生彎曲、拉壓和扭轉(zhuǎn)等變形。因此，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析時，單元的類型選擇以六面體為主，四面體與六面體結(jié)合的混合單元。采用這種混合單元所得到的網(wǎng)格質(zhì)量較好，對提高計(jì)算精度、節(jié)省計(jì)算時間均有很大的幫助。同時，混合單元還能很好的解決局部過渡所產(chǎn)生的病態(tài)單元。機(jī)架結(jié)構(gòu)方鋼管之間的焊縫采用共用節(jié)點(diǎn)來模擬[5]，所得有限元模型含95430個網(wǎng)格單元和455906個節(jié)點(diǎn)。

1.2機(jī)架結(jié)構(gòu)典型工況下應(yīng)力分析

對于機(jī)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量，只需在ANSYS Workbench中輸入材料密度，程序便會根據(jù)所輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。機(jī)架材料為Q235，最大許用應(yīng)力為235 MPa。進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)的有限元分析前，需添加載荷和定義邊界條件。因機(jī)架與各零部件多以面接觸為主，所以在各接觸面施加均布載荷，對機(jī)架與仿形輪連接處和機(jī)架與田園管理機(jī)聯(lián)接處施加固定約束。選擇勻速作業(yè)、調(diào)頭兩種典型工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得出機(jī)架在勻速作業(yè)工況下的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力位置如圖2、圖3所示，機(jī)架在調(diào)頭工況下的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力位置如圖4、圖5所示。

圖2　勻速作業(yè)下應(yīng)力分布

圖3　勻速作業(yè)下最大應(yīng)力位置

圖4　調(diào)頭時應(yīng)力分布

圖5　調(diào)頭時最大應(yīng)力位置

綜合兩種分析工況可以看出，機(jī)架的應(yīng)力分布不均勻。勻速作業(yè)時，機(jī)架底盤方鋼管存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力分布于底盤方鋼管開孔處，最大值為26.368 MPa。機(jī)器調(diào)頭工況下機(jī)架立柱與底盤方鋼和橫梁聯(lián)接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與橫梁聯(lián)接處，最大值為123.89 MPa。Q235鋼材的屈服應(yīng)力為235 MPa，兩種工況下機(jī)架都保持在安全范圍內(nèi)。這只是機(jī)架結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，該方案還存在著一定的弊端，為了最大限度地減小機(jī)架質(zhì)量，同時減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對整個機(jī)架各部分方鋼管壁厚進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2　山地揭膜機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)以數(shù)學(xué)中最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法。即在所選方案滿足了全部的設(shè)計(jì)要求的情況下，同時所需的支出(如質(zhì)量、體積、應(yīng)力應(yīng)變等)最小[6]。ANSYS Workbench平臺提供多種優(yōu)化方法，本文中采用Multi-Objective Genetic Algorithm--多目標(biāo)遺傳算法中的基于精英策略的多目標(biāo)非支配排序遺傳算法[6]。它是在多目標(biāo)遺傳算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過定義擁擠距離估計(jì)某個點(diǎn)周圍的解密度取代適應(yīng)值共享來進(jìn)一步提高計(jì)算效率和算法的魯棒性[7]。

設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)總稱為優(yōu)化分析內(nèi)容[8]。在ANSYS Workbench優(yōu)化中，由用戶定義的參數(shù)來指定設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)[9]，其數(shù)學(xué)模型如下：

Vmin≤V≤VmaxV=[V1，V2…，Vn]

Wmin≤W≤WmaxW=[W1，W2…Wn]

minf(V)

式中：v為設(shè)計(jì)變量；w為狀態(tài)變量；f(v)為目標(biāo)函數(shù)。

設(shè)計(jì)變量作為自變量，通過改變它的數(shù)值來獲得優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，為改善機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和質(zhì)量分布情況，可通過改變機(jī)架結(jié)構(gòu)的各部位尺寸來實(shí)現(xiàn)，文中選取方鋼管的壁厚為設(shè)計(jì)變量。狀態(tài)變量是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。本文以減少機(jī)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中為目的，應(yīng)盡可能的減少機(jī)架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，因此，以機(jī)架結(jié)構(gòu)方鋼管的最大應(yīng)力為狀態(tài)變量[9]。

目標(biāo)函數(shù)作為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，應(yīng)盡量減小其數(shù)值[10]。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)的輕量化，同時能滿足強(qiáng)度、剛度要求。因此，文中把機(jī)架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)[8]。

2.2機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析可知，機(jī)架在調(diào)頭工況下最大應(yīng)力明顯高于勻速作業(yè)工況，所以本文將在調(diào)頭工況對機(jī)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過在ANSYS Workbench中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)來對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，便可得到設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果如表1。

以車架底盤方鋼為例，其厚度在優(yōu)化過程中的變化情況如圖6所示。

表1　設(shè)計(jì)變量參數(shù)選擇及優(yōu)化結(jié)果

圖6　底盤方鋼管壁厚變化曲線

從圖6可知機(jī)架底盤方鋼壁厚在1.8～2.5 mm之間變化。在優(yōu)化的過程中，ANSYS Workbench不斷的對優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并隨著迭代次數(shù)的增加，方鋼管壁厚值變化的范圍會遞減，最終達(dá)到一個穩(wěn)定值。通過求解計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果為1.8344 mm，迭代次數(shù)為220次。

文中機(jī)架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值作為狀態(tài)變量，在機(jī)架底盤方鋼與立柱交接處初始最大應(yīng)力為123.89 MPa。在優(yōu)化過程中，所得到的應(yīng)力最大值為130 MPa。在優(yōu)化后，應(yīng)力的最大值值變?yōu)?29.84 MPa。目標(biāo)函數(shù)為機(jī)架總質(zhì)量，初始質(zhì)量為7.4308 kg，優(yōu)化后的質(zhì)量為5.9564 kg，目標(biāo)函數(shù)的變化情況如圖7所示。

圖7　質(zhì)量變化曲線

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，機(jī)架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量減少了19.84%，其效果明顯。雖然在實(shí)際的生產(chǎn)中，會受到方鋼管材料規(guī)格的限制和為滿足機(jī)架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝要求，很難達(dá)到最優(yōu)的理想狀態(tài)，跟理論結(jié)果之間會存在一定的誤差[6]。但這為機(jī)架結(jié)構(gòu)輕量化、合理化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和參考。

2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對比分析

將優(yōu)化結(jié)果中的最佳候選點(diǎn)輸入?yún)?shù)復(fù)制到當(dāng)前結(jié)構(gòu)中，更新機(jī)架有限元模型，分別對兩種工況下機(jī)架靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行求解計(jì)算，對比前后兩種工況下的最大應(yīng)力值，其結(jié)果如表2。

表2　改進(jìn)前后兩種工況最大應(yīng)力

從表2的比較結(jié)果可以看出，勻速作業(yè)工況下機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)后最大應(yīng)力有所增加，但機(jī)架的許用應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，兩種工況下最大應(yīng)力值變化很小，且都小于材料的最大許用應(yīng)力值235 MPa。由兩種工況下的應(yīng)力云圖可以看出，改進(jìn)后應(yīng)力分布更加的均勻。

3　結(jié)語

本文基于ANSYS Workbench平臺，對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型的建立，選擇兩種典型工況進(jìn)行有限元分析，得到機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，機(jī)架

所受最大應(yīng)力為123.89 MPa，且有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用多目標(biāo)遺優(yōu)化傳算法對機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到機(jī)架最大應(yīng)力值為129.48 MPa，小于材料的最大許用應(yīng)力值235 MPa，機(jī)架質(zhì)量減少19.84%，優(yōu)化效果明顯?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中受材料規(guī)格等因素的制約，實(shí)際情形與理論結(jié)果還存在一定的差距，但本文結(jié)論可為機(jī)架的設(shè)計(jì)提供重要參考。

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(責(zé)任編輯：江龍)

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

廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“山地烤煙地膜、煙桿機(jī)械化回收關(guān)鍵技術(shù)及多功能機(jī)的研制”(合同編號：1212014015)貴州省科技計(jì)劃《貴州山地殘膜撿拾機(jī)具研發(fā)及應(yīng)用研究》(黔科合GZ字(2015)3007)

張大斌(1976-)，男，副教授，博士，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械、先進(jìn)裝備及制造等，Email：332397268@qq.com.

韋建玉，Email：jtx_wjy@163.com.

TH122