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摘 要： 根据运动学要求设计一种应在烟苗移栽机的可升降车架，再对升降机构的进行运动学静力学特性分析及动力学特性分析以验证设计。通过运动学设计出其结构，用三维建模软件SolidWorks建立实体模型，通过有限元分析软件ANSYS对升降机构进行有限元分析计算。得到升降机构在满载时的等效应力分布、最大等效应力、最大变形，根据材料的性能得出升降机构符合静力学特性要求;得到升降机构的自由模态、谐响应、响应谱与其它激励频率作比较得出升降机构符合动力学要求。为升降机构的设计提供理论参考及数据支持。
关键词： 车架升降机构;运动学;ANSYS;静力学;动力学
中图分类号： TP202 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.014
本文著录格式：任志立，杨文彪，李俊，等. 烟苗移栽机中车架升降机构的设计及有限元仿真[J]. 软件，2019，40（6）：6468+100
【Abstract】： According to the kinematic requirements， a kind of liftable frame should be designed for tobacco seedling transplanter， and then kinematic statics analysis and dynamic analysis of the lifting mechanism are carried out to verify the design. The structure is designed by kinematics， the solid model is established by SolidWorks， and the lifting mechanism is analyzed and calculated by ANSYS. The equivalent stress distribution， maximum equivalent stress and maximum deformation of the lifting mechanism under full load are obtained， and the lifting mechanism meets the requirements of static characteristics according to the performance of materials. The free mode， harmonic response and response spectrum of the lifting mechanism are obtained and compared with other excitation frequencies. It is concluded that the lifting mechanism meets the dynamic requirements. It provides theoretical reference and data support for the design of lifting mechanism.
【Key words】： Frame lifting mechanism; Kinematics; ANSYS; Statics; Dynamics
0 引言
烟草作为一种经济效益巨大的经济作物，拥有极其广泛的种植，烟草种植主要以烟苗的移栽为主。在烟草种植中，烟苗移栽的劳动量十分巨大，烟苗的移栽黄世民、马铁兵、杨亚明等已研发出烟苗移栽机[1-2]，杨毅、王进红等对烟苗移栽机各功能机构进行了分析[3-4]，但目前没有设计出可升降的车架以适用于复杂地形。现设计一种烟苗移栽机的车架升降系统进行静力学分析及动力学分析。现采用有限元仿真升降机构做静力學及动力学模态分析[5]，通过计算得到有限元分析结果。得到升降机构的应力分布、最大应力及变形量，得出升降机构满足静力学性能要求;通过动力学分析得到升降机构的自由模态、谐响应、响应谱与其他激励频率比较，得出升降机构满足动力学特性要求。
1 升降系统结构设计
车架升降装置将主要由升降底座、升降支撑架、升降主架、螺纹升降杆、螺纹杆固定件、车架连接件组成。
1.1 丝杠导程计算
升降机构下面固定车轮上支架上，上面固定在移栽机的车架上，车架上承载着驾乘员的重力、待栽烟苗托盘和待栽烟苗的力重、移栽装置的重力等。这些作用在车架上的力通过作用力与反作用力的关系最终都作用在升降机构上。
烟苗移栽机满载工况下总质量为600 kg即地面对烟苗移栽机总的支持力为6000 N，其中六个移栽辅助压实土壤的轮子所提供的支撑力为1200 N，则两个车轮各自承担的对移栽机的支持力为2400 N。使车架升降的动力为2400 N，即丝杠所产生的推力值需要达到2400 N，设计时应留有冗余故把丝杆的推力值定为3000 N。假设人坐在移栽机上对丝杠把手的推力值为10 N-20 N，丝杠把手到丝杠的水平距离为0.15 m，丝杠机构效率取0.9，将值带入公式（1），得到丝杠导程R的取值范围为2.83 mm～ 5.66 mm。设定车架行程100 mm，当导程取3 mm时，车架行程最大时需转动丝杠33 r，所需人对丝杠把手的推力为10.6 N。当导程取5 mm时，车架行程最大时需转动丝杠20 r，所需人对丝杠把手的推力为17.7 N。结合人机工程考虑移栽机的操作舒适性丝杠导程取5 mm。
1.2 升降底座和升降支撑架连接设计 升降装置一端固定在车架上，另一端固定在车轮支撑架上，车轮支撑架另一端与车架支撑架通过转动副连接。设计车架支撑架与车架连接的一端不动，车轮处在地面上竖直方向不移动，则该升降机构及车架可简化为一个三角形，其中三角形三边中升降机构所在的边其边长可变。
升降机构的行程为100 mm，三角形具有稳定性边长和角度都是固定的，一条边长变化时角度一定会发生变化，升降机构与车轮支撑架必须用铰链连接。在此三角形中车架与支撑架简化边长为555 mm，车轮支撑架长520 mm，升降机构长500 mm～600 mm，由欧式几何学基本定理可计算出车轮支撑架与升降机构角度活动范围为58.9°～65.9°。
2 升降机构的有限元模型建立
ANSYSWorkbench是一种应用广泛的有限元分析软件[6-8]，界面友好、操作便利[9]，其最强大的功能是有限元仿真分析计算。对较为复杂的机构建模，通常选用三维实体建模软件SolidWords。先在SolidWords中以方便转化为有限元模型为准则等尺寸建立升降机构的三维实体模型[10]，然后将模型文件保存为.x_t格式文件。整体结构及升降机构的实体建模如图1、图2所示。
将模型导入ANSYS14.5Workbench中，首先对模型的材料进行选择及对材料的属性进行定义。考虑升降机构构件作为主要受力构件，从安全角度当以选用强度较高的材料较为合适，同时还要兼顾产品的成本，因此选用Q345。Q345为一种低合金钢，拥有较好的力学性能，在车辆、船舶、桥梁等工程应用中主要用于受载荷部位，具有较好的综合性能。
有限元分析的原理即是通过网格划分把整体划分成有限多个微小的单元体。影响有限元分析精度的因素则是网格划分的质量精度。其中Relevance调整网格的疏密程度;Relevance Center设置网格的粗细可以为粗糙、中等和细化。在此选择四面体单元，Relevance设置为50，Relevance Center设置为细化。划分出节点48672个、单元数17495个。
机构的受力主要来自于车架及上方载荷的重力，故选择升降机构顶端与车架固定的三个面作为力的作用面，每个力的大小为1600 N，方向向下。升降机构与车轮支撑架连接方式为铰链连接。在施加约束的时候，把约束施加在升降机构下方板材几个孔上，使升降机构底部保持不动。
3 静力学分析结果
常用的材料强度理论有四种，第四强度理论即为最大形状改变比能理论。此升降机构选用的材料为Q345塑性材料，且研究升降机构的静力学中的应力、应变问题。因此采用第四强度理论[11-12]，对升降机构的结构强度进行评价。
从等效应力云图可以看出升降机构整体的应力分布较为均匀，最大应力出现在丝杠固定件表面上，其它出现较大应力的区域为支撑丝杠的横梁表面上如图6所示。载荷对升降机构的作用力施加在丝杠固定件旁的横梁连接件表面上，此横梁连接件通过销与丝杠固定件连接，且由于丝杠固定件只有外面一层钢板，因此整个升降机构的压力在此处只是由两层对称钢板承受，故在此处出现最大应力。另一处出现较大应力的区域为升降机构横梁下表面。升降机构的丝杆和螺孔接触有较大面积，其接触面积为横梁载荷接触面的多倍，因此在丝杠上不会出现较大应力。从等效应力云图上得出升降机构的最大应力值为179.19 MPa，出现在横梁下表面的较大等效应力值为159.28 MPa。所选用材料Q345的屈服极限为345 MPa，结合升降机构的最大应力为179.19 MPa，计算的安全系数为1.92，满足设计安全系数1.8的要求。故升降机构的性能复合静力学性能要求。
通过有限元计算升降机构正常工作状态下的总变形如图5所示，由总变形图可以看出在工作状态时升降机构的主要受力构件变形量均较小，最大变形出现在丝杆旋转把手上。把手作为一个整体在负载的作用下整体发生的位置变化，最大变形为0.9 mm，变形量较小。主要受力部的丝杠、升降架并没有发生明显的变形。升降架底部几乎没有变形，升降架中间位置的横梁的变形量为0.4 mm，变形量微小满足工作状态时的安全要求。丝杠作为升降机构工作的核心构件，在丝杠与套筒的接触面上也存在着巨大的载荷，丝杠的变形量为0.5 mm仍屬于微小变形。故升降机构的总变形微小，主要受力部件安全稳定。
4 动力学分析
4.1 升降机构的模态分析
模态分析是针对机械结构的振动频率进行分析，避免机械系统发生共振，引起机械结构巨大的变形和动应力导致破坏性事故。升降机构的模态分析对升降系统的固有频率要求包括：升降机构的一阶扭转频率、一阶弯曲频率低于动力源发动机怠速激励频率;升降机构的模态频率与路面激励频率不重合、升降机构的各阶模态频率变化平稳。
模态的振型和频率属于结构的固有特性，对升降机构系统做无预应力模态计算即自由模态，不对升降机构施加任何载荷和约束[13]，通过计算得到升降机构的六阶自由模态振型如图6所示，固有频率如表1所示。
4.2 谐响应分析
在静力学分析中可以发现当升降机构承载静力载荷时最大应力出现在支架横管的表面上，对于静载荷升降机构已经符合力学性能要求。在实际生产中移栽机由减震系统、轮胎气压、地面不平等诸多因素升降机构会承受持续动载荷，因此需要对升降机构的支架横管表面做持续动载荷仿真，已检测其在承受持续动载荷时最大应力是否超出许用应力。
仿真对象为支架横管表面，在机构与车架固定表面施加竖直向下方向的正弦激励载荷 ，其中 为角速度， 为时间，载荷幅值为3000 N，设定计算频率范围为0 Hz～100 Hz，计算步长为2 Hz。求解方法选用模态叠加法进行计算[16]，得到支架横管表面谐响应应力结果如图7所示从图中可以看出支架横管表面在频率为54 Hz时最大应力为0.0219 MPa，激励频率为54 Hz与分析自由模态时升降机构同时出现弯曲和扭转的激励频率及振型基本对应，而支撑架材料的屈服极限为345 MPa，符合可靠性要求。 4.3 响应谱分析
移栽机行进过程中与土壤中的较大石块时必定会在竖直方向上产生一个加速度，则升降机构此时会受到一个冲击载荷，故需对升降机构进行响应谱仿真，分析机构在受到冲击载荷时的应力分布。
将升降机构底座固定后，在底座上施加竖直方向的加速度1 m/s2～10 m/s2，得出整体结构的响应谱应力分布如图8所示，得到在加速度的冲击载荷作用下，机构的应力分布在机构的底座和螺纹升降杆顶端，最大应力为16.44 MPa，最大变形为0.04 mm，支撑架材料的屈服极限为345 MPa，符合可靠性要求。
5 结论
利用有限元方法对烟苗移栽机的车架升降机构进行静力学、动力学分析，得到升降机构在工作状态下的静力学特性满足安全生产要求，其安全系数为1.92;动力学分析得到模态一阶弯曲及一阶扭转频率小于牵引车发动机怠速激励频率、不等于路面激励频率不会与其他激励产生共振;谐响应仿真得到正弦载荷激励下支架横管表面最大应力小于材料屈服极限;响应谱仿真得到升降机构在冲击载荷下应力分布及最大应力小于材料屈服极限，符合动力学特性要求。故车架升降机构设计符合要求，仿真结果及数据可为后续改进提供参考。
参考文献
[1] 黄世民. 洛阳一拖众成配件制造有限公司. 烟苗移栽机. 中国， P， CN201020041259. 8， 2010. 11. 24.
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[6] 薛风先， 胡仁喜. ANSYS 12. 0机械与结构有限元分析入门到精通[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010： 25-45.
[7] 李腾腾， 钟绍华. ANSYS的发动机连杆的模态分析[J]. 汽车工程师， 2010（4）： 25-27.
[8] 叶奇， 孙鹏文， 张敏. 发动机曲柄连杆机构多体动力学建模的若干问题[J]. 机电工程， 2007（12）： 53-55.
[9] 赵京伟， 樊文欣， 闫磊， 等. 基于Pro/E和ANSYS发动机连杆模态特性分析[J]. 制作业信息2012（1）： 34-35.
[10] 張毅， 王莎， 等. 复杂工况下皮卡车架结构静动态特性分析[J]. 科技通报， 2007， 33（12）： 99-103.
[11] 朱昌发. 特种越野车车架有限元分析及结构优化[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2012.
[12] 任佩红， 魏中良， 王其云. HFC6100KY客车底盘车架有限元分析[J]. 合肥工业大学学报， 2005， 28（8）： 936-939.
[13] 马广， 黄东明， 王志明. 农用三轮车车架结构静动态特性仿真分析[J]. 浙江大学学报， 2007， 33（5）： 562-567.
[14] 袁爽， 杨起梁， 胡溧等. 发动机激励下客车车身怠速振动仿真研究[J]. 武汉科技大学学报， 2015， 38（1）： 35-40.
[15] 王志明， 戴素江. 农用三轮车车架静动态特性仿真分析[J]. 拖拉机与农用运输车， 2007， 34（2）： 71-73.
[16] 徐和林， 韩致信， 崔继强， 等. 7140型客车车架随机振动特性及疲劳强度分析[J]. 机械设计， 2012， 29（3）： 7-10.
关键词： 车架升降机构;运动学;ANSYS;静力学;动力学
中图分类号： TP202 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.014
本文著录格式：任志立，杨文彪，李俊，等. 烟苗移栽机中车架升降机构的设计及有限元仿真[J]. 软件，2019，40（6）：6468+100
【Abstract】： According to the kinematic requirements， a kind of liftable frame should be designed for tobacco seedling transplanter， and then kinematic statics analysis and dynamic analysis of the lifting mechanism are carried out to verify the design. The structure is designed by kinematics， the solid model is established by SolidWorks， and the lifting mechanism is analyzed and calculated by ANSYS. The equivalent stress distribution， maximum equivalent stress and maximum deformation of the lifting mechanism under full load are obtained， and the lifting mechanism meets the requirements of static characteristics according to the performance of materials. The free mode， harmonic response and response spectrum of the lifting mechanism are obtained and compared with other excitation frequencies. It is concluded that the lifting mechanism meets the dynamic requirements. It provides theoretical reference and data support for the design of lifting mechanism.
【Key words】： Frame lifting mechanism; Kinematics; ANSYS; Statics; Dynamics
0 引言
烟草作为一种经济效益巨大的经济作物，拥有极其广泛的种植，烟草种植主要以烟苗的移栽为主。在烟草种植中，烟苗移栽的劳动量十分巨大，烟苗的移栽黄世民、马铁兵、杨亚明等已研发出烟苗移栽机[1-2]，杨毅、王进红等对烟苗移栽机各功能机构进行了分析[3-4]，但目前没有设计出可升降的车架以适用于复杂地形。现设计一种烟苗移栽机的车架升降系统进行静力学分析及动力学分析。现采用有限元仿真升降机构做静力學及动力学模态分析[5]，通过计算得到有限元分析结果。得到升降机构的应力分布、最大应力及变形量，得出升降机构满足静力学性能要求;通过动力学分析得到升降机构的自由模态、谐响应、响应谱与其他激励频率比较，得出升降机构满足动力学特性要求。
1 升降系统结构设计
车架升降装置将主要由升降底座、升降支撑架、升降主架、螺纹升降杆、螺纹杆固定件、车架连接件组成。
1.1 丝杠导程计算
升降机构下面固定车轮上支架上，上面固定在移栽机的车架上，车架上承载着驾乘员的重力、待栽烟苗托盘和待栽烟苗的力重、移栽装置的重力等。这些作用在车架上的力通过作用力与反作用力的关系最终都作用在升降机构上。
烟苗移栽机满载工况下总质量为600 kg即地面对烟苗移栽机总的支持力为6000 N，其中六个移栽辅助压实土壤的轮子所提供的支撑力为1200 N，则两个车轮各自承担的对移栽机的支持力为2400 N。使车架升降的动力为2400 N，即丝杠所产生的推力值需要达到2400 N，设计时应留有冗余故把丝杆的推力值定为3000 N。假设人坐在移栽机上对丝杠把手的推力值为10 N-20 N，丝杠把手到丝杠的水平距离为0.15 m，丝杠机构效率取0.9，将值带入公式（1），得到丝杠导程R的取值范围为2.83 mm～ 5.66 mm。设定车架行程100 mm，当导程取3 mm时，车架行程最大时需转动丝杠33 r，所需人对丝杠把手的推力为10.6 N。当导程取5 mm时，车架行程最大时需转动丝杠20 r，所需人对丝杠把手的推力为17.7 N。结合人机工程考虑移栽机的操作舒适性丝杠导程取5 mm。
1.2 升降底座和升降支撑架连接设计 升降装置一端固定在车架上，另一端固定在车轮支撑架上，车轮支撑架另一端与车架支撑架通过转动副连接。设计车架支撑架与车架连接的一端不动，车轮处在地面上竖直方向不移动，则该升降机构及车架可简化为一个三角形，其中三角形三边中升降机构所在的边其边长可变。
升降机构的行程为100 mm，三角形具有稳定性边长和角度都是固定的，一条边长变化时角度一定会发生变化，升降机构与车轮支撑架必须用铰链连接。在此三角形中车架与支撑架简化边长为555 mm，车轮支撑架长520 mm，升降机构长500 mm～600 mm，由欧式几何学基本定理可计算出车轮支撑架与升降机构角度活动范围为58.9°～65.9°。
2 升降机构的有限元模型建立
ANSYSWorkbench是一种应用广泛的有限元分析软件[6-8]，界面友好、操作便利[9]，其最强大的功能是有限元仿真分析计算。对较为复杂的机构建模，通常选用三维实体建模软件SolidWords。先在SolidWords中以方便转化为有限元模型为准则等尺寸建立升降机构的三维实体模型[10]，然后将模型文件保存为.x_t格式文件。整体结构及升降机构的实体建模如图1、图2所示。
将模型导入ANSYS14.5Workbench中，首先对模型的材料进行选择及对材料的属性进行定义。考虑升降机构构件作为主要受力构件，从安全角度当以选用强度较高的材料较为合适，同时还要兼顾产品的成本，因此选用Q345。Q345为一种低合金钢，拥有较好的力学性能，在车辆、船舶、桥梁等工程应用中主要用于受载荷部位，具有较好的综合性能。
有限元分析的原理即是通过网格划分把整体划分成有限多个微小的单元体。影响有限元分析精度的因素则是网格划分的质量精度。其中Relevance调整网格的疏密程度;Relevance Center设置网格的粗细可以为粗糙、中等和细化。在此选择四面体单元，Relevance设置为50，Relevance Center设置为细化。划分出节点48672个、单元数17495个。
机构的受力主要来自于车架及上方载荷的重力，故选择升降机构顶端与车架固定的三个面作为力的作用面，每个力的大小为1600 N，方向向下。升降机构与车轮支撑架连接方式为铰链连接。在施加约束的时候，把约束施加在升降机构下方板材几个孔上，使升降机构底部保持不动。
3 静力学分析结果
常用的材料强度理论有四种，第四强度理论即为最大形状改变比能理论。此升降机构选用的材料为Q345塑性材料，且研究升降机构的静力学中的应力、应变问题。因此采用第四强度理论[11-12]，对升降机构的结构强度进行评价。
从等效应力云图可以看出升降机构整体的应力分布较为均匀，最大应力出现在丝杠固定件表面上，其它出现较大应力的区域为支撑丝杠的横梁表面上如图6所示。载荷对升降机构的作用力施加在丝杠固定件旁的横梁连接件表面上，此横梁连接件通过销与丝杠固定件连接，且由于丝杠固定件只有外面一层钢板，因此整个升降机构的压力在此处只是由两层对称钢板承受，故在此处出现最大应力。另一处出现较大应力的区域为升降机构横梁下表面。升降机构的丝杆和螺孔接触有较大面积，其接触面积为横梁载荷接触面的多倍，因此在丝杠上不会出现较大应力。从等效应力云图上得出升降机构的最大应力值为179.19 MPa，出现在横梁下表面的较大等效应力值为159.28 MPa。所选用材料Q345的屈服极限为345 MPa，结合升降机构的最大应力为179.19 MPa，计算的安全系数为1.92，满足设计安全系数1.8的要求。故升降机构的性能复合静力学性能要求。
通过有限元计算升降机构正常工作状态下的总变形如图5所示，由总变形图可以看出在工作状态时升降机构的主要受力构件变形量均较小，最大变形出现在丝杆旋转把手上。把手作为一个整体在负载的作用下整体发生的位置变化，最大变形为0.9 mm，变形量较小。主要受力部的丝杠、升降架并没有发生明显的变形。升降架底部几乎没有变形，升降架中间位置的横梁的变形量为0.4 mm，变形量微小满足工作状态时的安全要求。丝杠作为升降机构工作的核心构件，在丝杠与套筒的接触面上也存在着巨大的载荷，丝杠的变形量为0.5 mm仍屬于微小变形。故升降机构的总变形微小，主要受力部件安全稳定。
4 动力学分析
4.1 升降机构的模态分析
模态分析是针对机械结构的振动频率进行分析，避免机械系统发生共振，引起机械结构巨大的变形和动应力导致破坏性事故。升降机构的模态分析对升降系统的固有频率要求包括：升降机构的一阶扭转频率、一阶弯曲频率低于动力源发动机怠速激励频率;升降机构的模态频率与路面激励频率不重合、升降机构的各阶模态频率变化平稳。
模态的振型和频率属于结构的固有特性，对升降机构系统做无预应力模态计算即自由模态，不对升降机构施加任何载荷和约束[13]，通过计算得到升降机构的六阶自由模态振型如图6所示，固有频率如表1所示。
4.2 谐响应分析
在静力学分析中可以发现当升降机构承载静力载荷时最大应力出现在支架横管的表面上，对于静载荷升降机构已经符合力学性能要求。在实际生产中移栽机由减震系统、轮胎气压、地面不平等诸多因素升降机构会承受持续动载荷，因此需要对升降机构的支架横管表面做持续动载荷仿真，已检测其在承受持续动载荷时最大应力是否超出许用应力。
仿真对象为支架横管表面，在机构与车架固定表面施加竖直向下方向的正弦激励载荷 ，其中 为角速度， 为时间，载荷幅值为3000 N，设定计算频率范围为0 Hz～100 Hz，计算步长为2 Hz。求解方法选用模态叠加法进行计算[16]，得到支架横管表面谐响应应力结果如图7所示从图中可以看出支架横管表面在频率为54 Hz时最大应力为0.0219 MPa，激励频率为54 Hz与分析自由模态时升降机构同时出现弯曲和扭转的激励频率及振型基本对应，而支撑架材料的屈服极限为345 MPa，符合可靠性要求。 4.3 响应谱分析
移栽机行进过程中与土壤中的较大石块时必定会在竖直方向上产生一个加速度，则升降机构此时会受到一个冲击载荷，故需对升降机构进行响应谱仿真，分析机构在受到冲击载荷时的应力分布。
将升降机构底座固定后，在底座上施加竖直方向的加速度1 m/s2～10 m/s2，得出整体结构的响应谱应力分布如图8所示，得到在加速度的冲击载荷作用下，机构的应力分布在机构的底座和螺纹升降杆顶端，最大应力为16.44 MPa，最大变形为0.04 mm，支撑架材料的屈服极限为345 MPa，符合可靠性要求。
5 结论
利用有限元方法对烟苗移栽机的车架升降机构进行静力学、动力学分析，得到升降机构在工作状态下的静力学特性满足安全生产要求，其安全系数为1.92;动力学分析得到模态一阶弯曲及一阶扭转频率小于牵引车发动机怠速激励频率、不等于路面激励频率不会与其他激励产生共振;谐响应仿真得到正弦载荷激励下支架横管表面最大应力小于材料屈服极限;响应谱仿真得到升降机构在冲击载荷下应力分布及最大应力小于材料屈服极限，符合动力学特性要求。故车架升降机构设计符合要求，仿真结果及数据可为后续改进提供参考。
参考文献
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