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玉米联合收割机底盘机架的强度分析

发布于:2016-09-28 17:42
强度分析

      YB3A联合收割机底盘机架是割台、发动机、驾驶室、还田机、粮箱等各总成的安装基础。作为上述部件总成的安装基体,车架承受这些总成的质量及其传给车架的各种力和力矩。是玉米收割机的关键承载部件。底盘机架主要由槽钢、钢板和少量矩形钢焊接而成,其所承受的载荷十分复杂,概括起来,主要包括纵向弯曲、扭转、横向弯曲、水平菱形扭转以及它们的组合。机架的刚度和强度对整机安全使用及性能的影响很大,在设计和使用时对玉米收割机架的要求是:(1)具有足够的强度,保证在使用期限内,车架的主要零部件不因受力而破坏;(2)具有足够的抗弯刚度,如机架的最大弯曲挠度应小于l0mm,以免车架上的总成因变形过大而发生早期损坏;(3)机架要有合适的扭转刚度,希翼车架两端的扭转刚度大些,而中间一段小些;(4)车架要轻,一般其自身质量应在整车整备质量的10%以内,故对其进行强度设计、强度分析、固有特性分析非常重要。要达到以上要求,就需要对玉米收割机机架进行精细化的设计。
      整车分析模型和机架三维模型见图,机架的有限元分析模型以往多采用梁单元进行离散化,但采用梁单元不能得到详细的车架应力分布结果,尤其不能得到车架局部如横梁与纵梁连接处的应力状况,而连接处的应力水平较高且变化剧烈,因此采用板壳单元建立车架模型。关于有限元建模,按照以下有限元分析思路进行:对机架刚度影响较大的部分,如驾驶室、还田机、发动机支架、剥皮机架与机架连接的主梁,进行详细建模,对不与机架直接连接的部分用beam单元连接模拟部件自身刚度,用质量块单元模拟部件自身质量,见图。由于均由饭金件构成,因此采用的单元类型为QUAD4及少量TRIA3板壳单元(SHELL单元)。焊接相连接的零部件按一个零部件创建。两板搭接焊重叠处用两板材料厚度之和进行简化。结构上铆钉和垫片处采用BEAM梁单元和RBE2刚体单元来模拟。部分焊点用RBE2刚体单元来模拟。销轴连接处用自由度藕合(Coupled DOF)来模拟。机架有限元网格大小按照20mm进行划分。本模型共有结点数62943个,单元数61897个,用这些框架梁来代替部件的实际结构,能更好地模拟车架的实际刚度,参见图。材料属性表见表。
      机架刚度直接影响车架的承载功能。机架整体刚度低,将使机架的整体承载能力降低。机架的局部刚度低,将使车身局部变形增加,机架的局部安装等功能丧失。机架刚度低,直接影响机架的疲劳强度,使机架的可靠性降低,局部的失效和整体的失效都将大大降低机架的整体使用性能,使收割机的整体性能指标降低。连续的机架振动会造成机架结构逐渐减弱并导致耐久性的问题。为了避免耐久性问题,车架必须有足够的静态弯曲和扭转刚度。由于当受到不平路面激励时,弯曲载荷引起的机架应力幅比扭转载荷引起的小,所以,车架的扭转刚度对耐久性问题更重要。通常车架的弯曲刚度用车架载荷F与最大弯曲挠度z的比值来衡量的,此时的弯曲刚度计算公式为Kz=F。车身的弯曲刚度=车身弯曲集中载荷/最大弯曲挠度此时弯曲刚度的单位是N/m。车架的弯曲刚度分析边界条件:约束前悬置xyz方向的自由度和后悬置yz方向的自由度,在前后悬置的中点施加一个1000N的力,其边界条件见图。
      用上述方法大家对原始设计方案和改进方案进行了对比分析,参见图。分析发现:改进方案应力分布和刚度方面都比原始方案要好,并且改进方案结构要比原始设计结构节省大约70kg的钢材,改进方案经2008年市场批量验证。这种用来计算玉米联合收割机底盘机架强度分析的方法不仅可以验证机架本身的强度和可靠度,还可用以比较多种设计方案的可行性,因而以CAE为手段的设计方法不仅为设计人员设计更优的产品提供参考依据,而且为企业缩短开发周期,降低研发成本。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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