甘蔗是我国主要的糖料作物,甘蔗在进入拔节伸长期进行大培土时甘蔗生长高度达到0.8-1 m并且生长很快,要求中耕机的通过高度达到1.5 m以上,以减少机具对甘蔗的折断。为了适应不同地块甘蔗种植行距的变化,中耕机的轮距应能调整。团队前期研制的菱形4轮中耕机在结构以及功能设计方面已基本满足上述需求,但是样机质量过大,是否可以适应丘陵山地的作业环境,还没有进行研究。本文在车架结构设计的基础上,结合样机试验与有限元分析技术,对甘蔗中耕机车架四种典型工况的应力、应变情况以及模态响应进行研究。确定样机的具体性能参数、车架有限元分析的边界条件以及拓扑优化设计的方法。为中耕机车架的轻量化设计提供了仿真技术支持,具有一定的参考价值。具体的研究内容和结论如下:（1）中耕机车架结构设计。参考了部分高地隙车辆的车架结构,结合甘蔗生长种植的特点、甘蔗种植地理环境。在深入了解车架的功能以及常见的车架类型之后,根据中耕机的设计目标,确定驱动方法。对车架需要承载的具体部件,包括发动机、分动箱、液压油箱、液压阀以及电池、散热器等进行布置。对车架的材料、管件截面形状和厚度以及管件布置方法进行设计,利用AutoCAD和CATIA软件建立了相应的车架二维以及三维模型。（2）样机性能试验。对样机的最大行驶速度、最小转弯直径以及最大越埂高度进行测试。试验结果表明,最大行驶速度为13 km/h,最小转弯直径为7 m,最大越埂高度为160 mm。此外利用磅秤测量的中耕机质量为4100 kg。对比测试结果与设计目标,样机符合设计要求。（3）中耕机车架有限元模型建立。利用ANSYS Workbench进行结构静力学与模态分析,应用Hyperworks进行进行车架的结构拓扑优化。将车架三维模型导入到Workbench中,对模型进行几何清理以及材料参数的设定,并确定车架单元类型,并对车架进行网格划分。（4）车架结构静力学分析。根据中耕机主要的作业环境,选择在车架弯曲、扭转、整机转弯和制动等的4种工况下进行结构静力学分析。确定了负载的施加位置和大小。仿真分析结果表明,现有车架在扭转时应力极值达到了255 MPa,超过了Q235的屈服极限。车架强度需要加强。（5）车架模态分析:本文采用子空间迭代法提取了车架的前14阶模态。并计算了发动机的激励频率在43-50 Hz之间,对比发现车架的8阶固有频率与发动机激励频率较接近,存在共振的可能性。（6）车架拓扑优化设计。利用软件对车架进行了拓扑优化,选择将原有空间封闭作为一个完整的设计空间,优化的工况为车架扭转。在Hyperworks软件中设定了相应的材料参数以及约束条件。确定优化响应为柔度以及体积分数。设定优化的体积分数为原体积的30%,并设定柔度最小的设计目标。在经过48次迭代计算之后,得到了相应的优化结果。结合原有车架以及优化结果,对车架进行了改进设计,并对四种工况以及模态进行了分析。分析结果显示车架质量减少了18.9%,且应力、应变极值出现了降低,说明了优化结果的有效性。