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YB3A聯(lián)合收割機底盤機架是割臺、發(fā)動機、駕駛室、還田機、糧箱等各總成的安裝基礎(chǔ)。作為上述部件總成的安裝基體，車架承受這些總成的質(zhì)量及其傳給車架的各種力和力矩。是玉米收割機的關(guān)鍵承載部件。底盤機架主要由槽鋼、鋼板和少量矩形鋼焊接而成，其所承受的載荷十分復(fù)雜，概括起來，主要包括縱向彎曲、扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲、水平菱形扭轉(zhuǎn)以及它們的組合。機架的剛度和強度對整機安全使用及性能的影響很大，在設(shè)計和使用時對玉米收割機架的要求是：(1)具有足夠的強度，保證在使用期限內(nèi)，車架的主要零部件不因受力而破壞；(2)具有足夠的抗彎剛度，如機架的最大彎曲撓度應(yīng)小于l0mm，以免車架上的總成因變形過大而發(fā)生早期損壞；(3)機架要有合適的扭轉(zhuǎn)剛度，希望車架兩端的扭轉(zhuǎn)剛度大些，而中間一段小些；(4)車架要輕，一般其自身質(zhì)量應(yīng)在整車整備質(zhì)量的10%以內(nèi)，故對其進行強度設(shè)計、強度分析、固有特性分析非常重要。要達到以上要求，就需要對玉米收割機機架進行精細化的設(shè)計。
整車分析模型和機架三維模型見圖，機架的有限元分析模型以往多采用梁單元進行離散化，但采用梁單元不能得到詳細的車架應(yīng)力分布結(jié)果，尤其不能得到車架局部如橫梁與縱梁連接處的應(yīng)力狀況，而連接處的應(yīng)力水平較高且變化劇烈，因此采用板殼單元建立車架模型。關(guān)于有限元建模，按照以下有限元分析思路進行：對機架剛度影響較大的部分，如駕駛室、還田機、發(fā)動機支架、剝皮機架與機架連接的主梁，進行詳細建模，對不與機架直接連接的部分用beam單元連接模擬部件自身剛度，用質(zhì)量塊單元模擬部件自身質(zhì)量，見圖。由于均由飯金件構(gòu)成，因此采用的單元類型為QUAD4及少量TRIA3板殼單元(SHELL單元)。焊接相連接的零部件按一個零部件創(chuàng)建。兩板搭接焊重疊處用兩板材料厚度之和進行簡化。結(jié)構(gòu)上鉚釘和墊片處采用BEAM梁單元和RBE2剛體單元來模擬。部分焊點用RBE2剛體單元來模擬。銷軸連接處用自由度藕合(Coupled DOF)來模擬。機架有限元網(wǎng)格大小按照20mm進行劃分。本模型共有結(jié)點數(shù)62943個，單元數(shù)61897個，用這些框架梁來代替部件的實際結(jié)構(gòu)，能更好地模擬車架的實際剛度，參見圖。材料屬性表見表。
機架剛度直接影響車架的承載功能。機架整體剛度低，將使機架的整體承載能力降低。機架的局部剛度低，將使車身局部變形增加，機架的局部安裝等功能喪失。機架剛度低，直接影響機架的疲勞強度，使機架的可靠性降低，局部的失效和整體的失效都將大大降低機架的整體使用性能，使收割機的整體性能指標(biāo)降低。連續(xù)的機架振動會造成機架結(jié)構(gòu)逐漸減弱并導(dǎo)致耐久性的問題。為了避免耐久性問題，車架必須有足夠的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。由于當(dāng)受到不平路面激勵時，彎曲載荷引起的機架應(yīng)力幅比扭轉(zhuǎn)載荷引起的小，所以，車架的扭轉(zhuǎn)剛度對耐久性問題更重要。通常車架的彎曲剛度用車架載荷F與最大彎曲撓度z的比值來衡量的，此時的彎曲剛度計算公式為Kz=F。車身的彎曲剛度=車身彎曲集中載荷/最大彎曲撓度此時彎曲剛度的單位是N/m。車架的彎曲剛度分析邊界條件：約束前懸置xyz方向的自由度和后懸置yz方向的自由度，在前后懸置的中點施加一個1000N的力，其邊界條件見圖。
用上述方法我們對原始設(shè)計方案和改進方案進行了對比分析，參見圖。分析發(fā)現(xiàn)：改進方案應(yīng)力分布和剛度方面都比原始方案要好，并且改進方案結(jié)構(gòu)要比原始設(shè)計結(jié)構(gòu)節(jié)省大約70kg的鋼材，改進方案經(jīng)2008年市場批量驗證。這種用來計算玉米聯(lián)合收割機底盤機架強度分析的方法不僅可以驗證機架本身的強度和可靠度，還可用以比較多種設(shè)計方案的可行性，因而以CAE為手段的設(shè)計方法不僅為設(shè)計人員設(shè)計更優(yōu)的產(chǎn)品提供參考依據(jù)，而且為企業(yè)縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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