基于ANSYS的水稻钵苗移栽机齿轮箱振动分析与优化.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4765-4777 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125433 文章引用文章引用:李道玉,雷贤卿.基于 ANSYSA 的水稻钵苗移栽机齿轮箱振动分析与优化J.建模与仿真,2023,12(5):4765-4777.DOI:10.12677/mos.2023.125433 基于基于ANSYS的的水稻水稻钵苗移栽机钵苗移栽机齿
2、轮箱齿轮箱振动振动 分析与优化分析与优化 李道玉,雷贤卿李道玉,雷贤卿*河南科技大学机电工程学院,河南 洛阳 收稿日期:2023年5月23日;录用日期:2023年9月18日;发布日期:2023年9月25日 摘摘 要要 针对高速水稻钵苗移栽机的工作状态下的振动问题,本文以钵苗移栽机实验平台作为研究对象,分析其针对高速水稻钵苗移栽机的工作状态下的振动问题,本文以钵苗移栽机实验平台作为研究对象,分析其栽插结构的运动方式和工作原理,并利用栽插结构的运动方式和工作原理,并利用Solidworks对其关键部件齿轮箱进行三维建模,导入对其关键部件齿轮箱进行三维建模,导入ANSYS Workbench求解固有
3、频率与振型,并通过试验模态验证结算结果的准确性,为移栽机减震降噪优化提供求解固有频率与振型,并通过试验模态验证结算结果的准确性,为移栽机减震降噪优化提供了前提条件,进而运用了前提条件,进而运用ANSYS优化设计模块对齿轮箱的结构参数进行优化设计,将优化后的齿轮箱装配优化设计模块对齿轮箱的结构参数进行优化设计,将优化后的齿轮箱装配于试验平台进行整机振动试验,结果证明了齿轮箱模态分析及结构优化的有效性,同时也验证了试验平于试验平台进行整机振动试验,结果证明了齿轮箱模态分析及结构优化的有效性,同时也验证了试验平台的可行性及有效性。对高速水稻钵苗移台的可行性及有效性。对高速水稻钵苗移栽装置振动特性进行
4、研究,找出振动源,实现降振优化以及消栽装置振动特性进行研究,找出振动源,实现降振优化以及消弭共振现象,对提升移栽装置性能及保证操作人员高效工作都有重要的意义弭共振现象,对提升移栽装置性能及保证操作人员高效工作都有重要的意义。关键词关键词 水稻钵苗移栽机,振动研究,有限元分析,结构优化水稻钵苗移栽机,振动研究,有限元分析,结构优化 Vibration Analysis and Optimization of Gear Box of Rice Pot Seedling Transfer Machine Based on ANSYS Daoyu Li,Xianqing Lei*School of M
5、echanical and Electrical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan Received:May 23rd,2023;accepted:Sep.18th,2023;published:Sep.25th,2023 Abstract Aiming at the vibration problem of high-speed rice pot seedling transplanting machine under-*通讯作者。李道玉,雷贤卿 DOI:10.12677/mos.2023
6、.125433 4766 建模与仿真 working condition,this paper takes the experimental platform of pot seedling transplanting ma-chine as the research object,analyzes the movement mode and working principle of its trans-planting structure,and uses Solidworks to carry out three-dimensional modeling of its key com-po
7、nent gearbox.The natural frequency and vibration mode are solved by ANSYS Workbench,and the accuracy of the settlement result is verified by experimental mode,which provides a prere-quisite for the optimization of vibration reduction and noise reduction of transplanting machine.Then,the structural p
8、arameters of gearbox are optimized by ANSYS optimization design module.The optimized gearbox is assembled on the test platform for the whole machine vibration test.The results prove the effectiveness of the gearbox modal analysis and structural optimization,and also verify the feasibility and effect
9、iveness of the test platform.Studying the vibration characteristics of high-speed rice pot seedling transplanting device,finding out the vibration source,realizing the optimization of vibration reduction and eliminating the resonance phenomenon are of great signi-ficance for improving the performanc
10、e of transplanting device and ensuring the efficient work of operators.Keywords Rice Pot Seedling Transplanting Machine,Vibration Research,Finite Element Analysis,Structural Optimization Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution I
11、nternational License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 自进入 2000 年来,水稻种植面积逐年增长,随之水稻种植的机械化程度也在不断加深,进而影响了水稻移栽机朝高速化、精准化和高稳定性的发展1 2。水稻移栽方式主要聚焦于毯状苗移栽和钵苗移栽这两类,我国多是以毯状苗移栽为主,但钵苗移栽具有亩产高、损伤小和返青快等优势,因而钵苗水稻移栽机具有广泛的发展前景3。钵苗水稻移栽机齿轮箱作为水稻移栽系统的重要的工作承载者,其直接决定移栽机工作的优劣。在高速作业过程中,往往受到外部环境和内部结构所产生
12、的激励影响,导致当移栽机的自身固有频率与外部动载荷频率相趋的同时,易发生共振现象4 5,同时水田中崎岖不平的路面也易引起移栽机激振的发生。继而不光对移栽机的作业质量产生影响,还会造成关键部件由于金属疲劳现象而造成机械性能和工作寿命下降,甚至也会对驾驶员身心健康造成损害6。由此,通过对移栽机支撑臂的振动研究,达到减震降噪,实现移栽机的高效作业,其研究具有重要的意义。为了提高农机的工作效率,国内专家大都早已开展了关于振动特性、振源检测以及振动消弭等的一系列研究,并在振动监测系统、模态试验与分析和零部件参数化改进等方面取得了一定的成果。石林7使用 Nastran 对变速箱体进行模态分析,求解其五阶振
13、型,以此为基础对变速箱进行结构优化,从而达到提高变速箱的动态性能,减少断裂损坏现象发生的目的。林枝强8采用试验检测和有限元数值分析相结合的方法对柴油机进行了减振优化,优化后整机固有频率有效地避开了柴油机前 6 阶激频,实现减振降噪的目的。吴正琴9则是利用 Rhino 软件对发动机底盘机架进行有限元模态化分析,获得抑制共振现象的优化方案。Chen KK 10开发了一种基于模态分析有效独立法的机械变形预测系统,该系统模拟了农机工作过程中插秧机支臂的振动情况,其研究结果为后续的支撑臂外部机构优化做好了铺垫。Open AccessOpen Access李道玉,雷贤卿 DOI:10.12677/mos.
14、2023.125433 4767 建模与仿真 2.齿轮箱有限元模态分析齿轮箱有限元模态分析 2.1.有限元模态分析基本理论有限元模态分析基本理论 模态是机械机构的一种固有特性,主要应用于振动研究方面,因而振动分析的一方面就是求取零部件的模态参数。模态每一阶次对应一个模态,都有特定的频率、阻尼比与振型11 12。求解其中的固有频率可以比对外部激励频率,避免频率相似而导致的共振现象的发生。有限元分析的原理是把连续的物理模型离散为有限个单元,每一个单元都有一个近似解,把所有的解通过某种方法耦合成与原系统相近的解13 14。多自由度系统中把某阶固有频率的振动形态定义为模态,系统中各点的位移比例关系叫做
15、模态振型。系统结构对外部激励的响应可以由频率、阻尼和振型等模态参数构成的各阶模态振型的叠加得到。模态分析的目的是确定结构系统动态特性的参数。对于一个多自由度线性系统,其基本振动方程可以描述为:()()()()Mx tCx tKx tP t+=(1)式中:M为系统的质量矩阵;C为系统的阻尼矩阵;K为系统的刚度矩阵;()x t为系统各点的位移向量;()x t为速度向量;()x t为加速度向量;()P t为系统各点的结构载荷向量;t 为时间变量。在系统结构的模态分析中,系统结构自身阻尼很小,对固有频率和振型的影响非常有限,故在解决工程问题中,通常忽略阻尼不计。因此,分析系统结构的固有频率和振型问题就
16、转化为求解特征值和特征向量的问题。则系统的自由振动微分方程可以表示为:()()0Mx tKx t+=(2)系统自由振动时,系统结构各点做简谐运动,各点的位移可以表示为:()0ejwtx tx=(3)由公式(2)、(3)可得:()200KMx=(4)式中 j 为虚数单位;为系统固有率;2为特征值;0 x为特征向量;其中2f=。近年来,随着计算机辅助运算技术的蓬勃发展,国内外大量有限元分析软件相继出现。其中 ANSYS作为国际知名的通用有限元分析软件之一,它的参数设置更为智能、操作界面更加友好、使用群体更为广泛,是科研和工程人员计算仿真分析工作的重要工具之一15 16。ANSYS 以有限元为基础,
17、融合热、结构、流体、电磁、声学等分析功能于一体,广泛应用于工程、航空、船舶、建筑等行业。本文关于移栽机取苗装置齿轮箱、载苗盘的有限元分析软件采用的是 ANSYS 软件。它主要包括三个功能模块:预处理模块,分析计算模块,后处理模块。本文运用 ANSYS 软件中的模态分析模块对取苗装置关键部件进行模态分析。其中 ANSYS 软件有限元分析流程如图 1 所示。Figure 1.Formable element analysis process 图图 1.有限元分析流程 李道玉,雷贤卿 DOI:10.12677/mos.2023.125433 4768 建模与仿真 2.2.齿轮箱有限元模态分析齿轮箱有
18、限元模态分析 2.2.1.模型简化模型简化 本次模态仿真的齿轮箱是典型的箱型式结构。为了节约时间,需要在不影响精度的情况下对原有的零件上进行适当简化。具体操作如下,在 Solidworks 里面建立齿轮箱的三维模型图导入 SpacClaim 中进行简化。为了模拟齿轮箱的真实状态,在 SpacClaim 中要将模型简化的近似接近于实物。齿轮箱在现实中面与面间是焊接,所以需要将模型连接成一个整体。首先选中主要的框架,将整体的模型用框架先表现出来,再点击的命令将框架组合成一个整体。如图 2 所示。Figure 2.Gearbox simplified model 图图 2.齿轮箱简化模型 在 Ans
19、ys的 Engineering 使用更多的布尔运算符或数字控件将单独的实体模型区域连接在一起创建元素属性表(元素类型、实常量、材料属性和元素坐标系)设置元素属性指针。由于模型是在 SpacClaim 里面进行处理简化的,所有齿轮箱的坐标与 mesh 里面的坐标是一致的,不需要再重新定义。在 Ansys 的Engineering 中选择材料的属性定义为铝,弹性模量 71 GPa,密度 2700 g/m3,泊松比 0.33。如果想定义其他材料的属性点击 source 下面的材料库。2.2.2.网格划分网格划分 网格划分有两种形式:自由网格划分和映射网格划分。自由网格划分可以自动生成不同形式的网格。
20、自由网格划分即为使用 ANSYS 的自动网格划分功能,在软件内部对模型进行识别并自动划分,根据模型的实际结构来建立网格,可自动或手动设置网格的大小和网格密度。映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法,其原始概念是:对于面,只能是四边形面,网格划分数需在对边上保持一致,形成的单元全部为四边形;对于体,只能是六面体,对应线和面的网格划分数保持一致;形成的单元全部为六面体。映射网格可以首先对模型中的一些关键线来划分,然后映射到整个面,或者是体,从而形成网格,但是难度比较大,操作比较麻烦,对于一些较为复杂的零件行不通。为了有更高的效率,更加快速的进行计算,选择自由网格进行划分。这只是初步计算,网
21、格质量的好坏的判定决定着下一步是否进行网格细化。网格的精度对后续就算有很大影响,所求解的网格质量越高,得到的结果越精确。初步求解后,在 即在网格里面查看网格的正交质量,可以看到网格质量为 0.3,网格质量偏差。为了获得更精准的数据,对网格进行加密。选将整个齿轮箱加密,加密尺寸为 0.01。最后点 update 进行网格的更新。李道玉,雷贤卿 DOI:10.12677/mos.2023.125433 4769 建模与仿真 加密后的整体框架如图 3 所示。可以从图中看出网格已被加密,且网格的平均质量有 0.3 提升到了0.5。精度已经达到要求,不需要再进行网格细化。此时如果进行网格细化,会增加网格
22、质量,影响计算时间,得到的结果却是相差不大。虽然网格数量相较于六面体网格有所增加,但是网格质量会提升。六面体划分的网格对应的线面网格划分数保持不变,形成的单元均为六面体。齿轮箱这个框架不是大体积的物体,不需要减少网格质量,所以使用四面体网格进行划分。生成的网格数量为 70,768,节点数为 40,050。Figure 3.Mesh dens 图图 3.网格密化 2.2.3.有限元有限元分析分析求解过程求解过程 对于自由振动分析,通常解决方案分支的 Details 视图中的任何一个选项在大多数情况下都不需要更改,“求解器类型”应该保留在“程控”的默认选项上,“分析类型”将显示“自由振动”。当在求
23、解分支下选择频率查找工具时,仿真触发自由振动分析频率查找器的 Details 视图允许用户指定“要查找的最大模式”,默认为 6 个模式(最大 200 个)。增加检索模式的数量将增加解决方案的时间。通过选择“Yes”on“Limit search to range”,可以将搜索限制在感兴趣的特定频率范围内默认情况下,如果没有设置搜索范围,将计算从 0 赫兹开始的频率(刚体模式)。齿轮轴的前 6 阶模态为刚体代表的是齿轮轴的刚体位移其前 6 阶频率值均为 0 或接近于 0。这 6 阶模态对进行振动分析并没有参考意义,所以我们只考虑第六阶到第十阶的模态。但是为了与实验模态对比分析,以便更准确的得到其
24、误差对比,我们用 Ansys 计算出其前 20 阶的模态,相应的实验模态也会计算出前 10 阶。所以将 option 里面 maxmodestofind(最大模态阶数)里面修改数据为 10,并查看计算结果。至此,所有的模态设置与求解已全部完成。2.2.4.有限元模态分析求解算法有限元模态分析求解算法 ANSYS 有限元模态分析中常见的几种求解算法包括 Block Lanczos 法、子空间(Subspace)法、缩减(Reduced)法、非对称(Unsymmetric)法、PowerDynamics 法等17 18。子空间(Subspace)法使用的是子空间迭代技术,经常被用来求解大型对称特征
25、值问题,而且该方法需要对所有的质量和刚度矩阵进行运算,因此计算时间比较长,拥有较高的计算精度。Block Lanzcos 法集成了 Lanczos 算法,可以通过一组向量完成 Lanzcos 递归计算,与子空间法相比,具有相近的计算精度,但 Block Lanzcos 法具有更快的收敛性,计算时间较短。Powerdynamics 法内部选用子空间迭代计算,并通过 PCG 迭代求解器进行求解,拥有较快的运算速度,但是由于单元格质量差会导致出现不收敛现象。目前该方法主要用于求解超大模型的前几阶少数模态问题。缩减(Reduced)法是通过 HBI 二次逆迭代法算法来求解系统的特征值和特征向量。该方法
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