烟苗移栽机机架轻量化研究_李世成.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言目前的烟苗移栽机不能满足新的移栽技术要求，基本靠人工作业，导致劳动密集、劳动强度大、移栽质量不稳定、作业机械化程度低、效率低及劳动成本高等。为解决上述问题，课题组研制了一款可实现垄上打孔、投苗、施水等一体化作业的烟苗移栽机1。但该移栽机存在结构复杂、多种回转部件工作时振动较大、整机质量较大等一系列问题。机架是移栽机各总成装置的安装基体，在复杂工况载荷的激励作用下会导致机架发生塑性变形，从而影响移栽机工作性能。因此，机架轻量化设计对提升烟苗移栽机性能、节省能源有着重要作用2。以课题组自行研制的烟苗移栽机机架为研究对象，为实现移栽机正常工作前提下减少整体质量，基于 HyperMesh 建立烟苗移栽机机架的动静态力学有限元模型，采用响应面近似模型和多目标优化算法对机架各组件的厚度进行优化，在确保烟苗移栽机良好作业性能的条件下，避免机架产生共振，达到机架轻量化的目的。1 机架有限元模型的建立烟苗移栽机主要由机架、移栽装置、行走装置、控制装置、供能装置等构成，其中机架主要采用碳素结构钢Q235A的矩形管和钢板等型材焊接制成，图 1 为烟苗移栽机的三维结构模型。机架整体结构主要是由薄壁钢管型材焊接加工而成，对三维模型进行中面抽取得到二维中面组合而成的机架，再对中面赋予不同厚度尺寸代替原始三维机架模型；忽略一些非承载部件及机架倒角等对计算结果影响不大的因素，设置网格单元尺寸为 10 mm，网格单元类型为 QUAD4 和 CTRIA3，得到了 49 775 个单元和 49 432 个节点，网格平均doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.008烟苗移栽机机架轻量化研究李世成（550025 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）摘要 为减轻机架质量和分析其动态特性，针对课题组研制的烟苗移栽机机架进行轻量化研究，通过建立机架有限元模型，展开机架动静态力学特性校核与分析，得到机架各项均满足设计要求，且材料冗余过大，存在很大的优化空间。基于 HyperStudy 搭建了机架静态工况与模态工况下的机架多目标优化模型，利用多目标遗传算法进行求解化设计。结果表明：优化后的机架经优化后的质量减轻了 40.56%，机架第 4 阶模态频率为 46.08 Hz，避开了共振频率，机架最大应力为 64.87 MPa，减小了 27.17%，表明优化后的机架具备了良好的力学性能。关键词 移栽机；机架；轻量化；动态特性；多目标优化 中图分类号 S223.9 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0037-06引用格式：李世成.烟苗移栽机机架轻量化研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):37-42.Research on lightweight frame of tobacco seedling transplanterLI Shicheng(College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China)Abstract To reduce frame mass and analyze its dynamic characteristics,develop a lightweight research of the tobacco seedling transplanting machine frame.Through the establishment of finite element model of a frame,check and analyze the dynamic and static mechanical properties of the frame and find the chassis frame all meet the design requirements,and the material redundancy is too large,so there is much room for optimization.Based on HyperStudy,the multi-objective optimization model of the frame under static and modal conditions was built and the multi-objective genetic algorithm was used to solve the design.The results show that the mass of the optimized frame is reduced by 40.56%,the fourth-order modal frequency of the frame is 46.08 Hz,avoiding the resonance frequency,and the maximum stress of the frame is 64.87 MPa,which is reduced by 27.17%,indicating that the optimized frame has good mechanical properties.Key words transplanter;frame;lightweight;dynamic characteristics;multi-objective optimization基金项目：黔科合平台人才 20195616 号“贵州省山地智能农业装备研发与应用科技创新人才团队项目”收稿日期：2022-01-06 38农业装备与车辆工程 2023 年质量为 99.4%，表明网格质量较好，确保求解结果的可靠性。网格质量检测结果如图 2 所示3。2 机架的静力学分析移栽机机架为整个机体各关键部件的安装基体，为避免机架产生塑性变形，要求设计足够的强度。机架承受的主要载荷来自左侧边的操作平台、右侧的蓄电池、前部的汽油发电机、后部的水肥箱以及中部的移栽平台。查阅各驱动部件的参数并计算得到各关键部件的载荷，如表 1 所示。表 1 弯曲工况下机架外部载荷状况Tab.1 External load condition of the frame under bending condition载荷名称质量/kg汽油发电机20蓄电池25水肥箱25移栽平台50操作台80Y 向驱动装置12机架材料选用 Q235，其屈服强度 s=235 MPa。机架主要承受来自机架上安装部件的重力载荷，取动载荷系数 Kd=2.5，计算载荷 Fc=KdKg，在各关键承载部件的质量中心建立质量点，并赋予其相应的质量参数，通过建立的 rbe3 单元均布施加在机架的支承位置4。利用 OptiStruct 求解器对机架有限元模型进行求解，得到相应的位移云图如图 3 所示，应力云图如图 4 所示。由图3可知，机架变形量1.61 mm，小于2.5 mm，对机架整体性能影响很小，表明机架初始设计方案满足刚度要求。从图 4 可以看出，机架应力主要集中分布在底梁、中层纵梁，机架的最大应力为 89.21 MPa。在复杂的工作环境下，设计机架时按静强度准则应采用提高安全系数的方法，取n=1.5，则机架的许用应力=s/n=156.7 MPa。综上，机架正常工作所产生的最大应力值和最大变形值均满足设计要求，且存在较大的优化空间。3 机架模态分析激振源频率分析有助于评价机架结构的动态力学性能5。所有类型电机和回转部件工作时，可通过 f=n/60 计算机架上各驱动电机和主要回转部件的理论激振频率，汇总后如表 2 所示。1.机架 2.履带驱动电机 3.汽油发电机 4.打孔投苗装置5.控制柜 6.苗盘支撑架 7.水肥箱 8.Y向驱动装置9.履带 10.蓄电池图 1 烟苗移栽机的三维结构模型Fig.1 Three-dimensional structure model of tobacco seedling transplanter11029387456图 2 烟苗移栽机机架有限元网格模型Fig.2 Finite element mesh model of tobacco seedling transplanter frameElements Vlolating Thresholds:min size =0 (0.0%)max size =0 (0.0%)aspect ratio =0 (0.0%)warpage =0 (0.0%)skew =0 (0.0%)jacobian =0 (0.0%)max angle quad =12(0.0%)min angle quad =0 (0.0%)max angle trla =0 (0.0%)min angle tria =0 (0.0%)taper =0 (0.0%)YZXContour PlotDisplacement(Mag)Analysis systemMax=1.614E+00 Grids 2307Min=0.000E+00 Grids 233781.614E+001.435E+001.255E+001.076E+008.966E-017.173E-015.380E-013.587E-011.793E-010.000E+00No Result图 3 弯曲工况下机架位移云图Fig.3 Frame displacement cloud diagram under bending condition Contour Plot Element Stresses Analysis systemMax=8.921E+012D 22875Min=1.364E-022D 602053.921E+013.485E+013.050E+012.614E+012.179E+011.743E+011.308E+018.723E+004.368E+001.364E-02No Result图 4 弯曲工况下机架应力云图Fig.4 Frame stress cloud under bending condition39第 61 卷第 3 期表 2 激振源理论振动频率Tab.2 Theoretical vibration frequencies of excitation sources名称转速/(r/min)理论激振频率/HzY 向丝杆驱动电机3 00050Z 向丝杆驱动电机1 00016.7成穴钻头3005履带驱动轮911.5机架的环境决定了其约束条件比较复杂，应当采取自由模态计算方式求解机架的模态参数。通常高阶模态对结构强度影响较小，只提取其前 6 阶自由模态频率与最大变形量即可。利用 HyperMesh对建立好的机架进行模态分析、模型计算，得到机架前 6 阶自由模态振型云图如图 5 所示。汇总后的机架最大变形量与模态频率如表 3 所示。由表 3 可以看出，机架的前 6 阶自由模态频率介于 28.8881.63 Hz，第 4 阶模态频率下的机架操作台装置安装支架变形量较大，机架有发生共振几率，可能导致移栽机的工作性能，应进一步优化机架模态固有频率6。表 3 机架前 6 阶非刚体模态频率与变形量Tab.3 The first six orders of non-rigid body modal frequency and deformation of the frame模态阶次模态频率/Hz最大变形量/mm128.885.618243.784.330347.258.192448.1318.880564.308.110681.636.8394 基于 HyperStudy 的机架轻量化研究4.1 确定设计变量机架结构主要由底梁、中层纵梁、支重轮支架、蓄电池支架、水箱支架、操作台支架、汽油发电机支架、履带驱动电机支架 8 个组件构成。为对机架Contour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systermMax=4.330E+00 Grids 50575Min=1.232E+00 Grids 582904.330E+003.986E+003.642E+003.298E+002.953E+002.609E+002.265E+001.921E+001.576E+001.232E+00No ResultContour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systemMax=5.618E+00 Grids 53860Min=1.471E-01 Grids 598155.618E+005.010E+004.402E+003.795E+003.187E+002.579E+001.971E+001.363E+007.550E-011.471E-01No Result（a）（b）Contour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.110E+00 Grids 19107Min=3.265E-01Grids 139658.110E+007.245E+006.380E+005.516E+004.651E+003.786E+002.921E+002.056E+001.191E+003.265E-01No Result（c）Contour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systemMax=1.888E+01 Grids 62141Min=3.863E-02Grids 289581.888E+011.679E+011.469E+011.260E+011.051E+018.413E+006.319E+004.226E+002.132E+003.863E-02No ResultContour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.192E+00 Grids 20222Min=4.293E-01Grids 139208.192E+007.329E+006.467E+005.604E+004.742E+003.879E+003.017E+002.154E+001.292E+004.293E-01No Result（d）Contour Plot Eigen Mode(Mag)Analysis systemMax=8.192E+00 Grids 20222Min=4.293E-01Grids 139208.192E+007.329E+006.467E+005.604E+004.742E+003.879E+003.017E+002.154E+001.292E+004.293E-01No Result（e）（f）图 5 机架前 6 阶模态振型云图Fig.5 Cloud diagram of the first six orders of modal shapes of the frame（a）第 1 阶模态 （b）第 2 阶模态 （c）第 3 阶模态（d）第 4 阶模态 （e）第 5 阶模态 （f）第 6 阶模态李世成：烟苗移栽机机架轻量化研究40农业装备与车辆工程 2023 年进行优化，将机架 8 个组件的厚度尺寸作为设计变量，其分布如图 6 所示，变化范围如表 4 所示。表 4 机架组件编号与设计变量取值Tab.4 Numbering and design variables of rack components名称设计变量初始厚度/mm厚度下限/mm厚度上限/mm底梁T1426中层纵梁T2426支重轮支架T3315蓄电池支架T4315水箱支架T5315操作台支架T6315汽油发电机支架T7864履带驱动电机支架T83254.2 筛选设计变量HyperMesh 中提供了包括全因子、部分因子、PlackettBurman、Hammersley 等方法，对机架 8 个变量进行 DOE 实验设计时，考虑到机架优化的设计变量较多，为使实验点在设计空间均匀分布，采用较少的样本点数量，本文采取 Hammersley 法确定关键厚度变量，完成样本的初步采样7。经 12次试验，获得6个设计变量对负载工况下最大应力、机架质量、第 1 阶模态频率的影响，如图 7 所示从图 7 可知，变量 T3 对负载工况下最大应力、机架质量、第 1 阶模态频率变化的影响最大，而T4 和 T8 对这些参数的影响很小，故排除对各个方面影响的小的 T4 和 T8，将其余的 T1、T2、T3、T5、T6、T7 共计 6 个设计变量作为机架优化的关键的设计变量。4.3 构建近似模型由于要研究的设计变量比较多，可以采用建立近似模型的方法完成优化。HyperStudy 中提供了包括LSR-最小二乘回归、MLSM-移动最小二乘法、HK-穿过所有输入点的克里格法、RBF-径向基函数法创建响应面。考虑到本文数据点多且具有较强的空间相关性，故采用 HK-穿过所有输入点的克里格法作为拟合近似模型的方法8。篇幅所限，只以 T1、T2 一组设计变量为例，得到 T1、T2 变量与各目标响应的拟合相应面如图 8 所示。1.底梁 2.中层纵梁 3.支重轮支架 4.蓄电池支架5.水箱支架 6.操作台支架 7.汽油发电机支架8.履带驱动电机支架图 6 机架设计变量分布Fig.6 Distribution of rack design variables18234567（a）（b）（d）图 7 机架设计变量的主效应图与累积效应曲线Fig.7 Main effect diagram and cumulative effect curve of rack design variables（a）T1、T2 对机架质量的影响（b）T1、T2 对机架 1 阶模态频率的影响（c）T1、T2 对第 4 阶模态频率的贡献量（d）T1、T2 对机架最大应力的影响0.14100Mass%0.12900.11800.10700.08600.07500.06400.04300.03200.0110-0.00T3.T.1 T3.T.1 T2.T.1 T2.T.1 T4.T.1 T4.T.1 T8.T.1 T8.T.1 T5.T.1 T5.T.10 R+-17.0715.3613.6511.9510.24100frequence1%908070608.53506.83405.12303.41201.71100.000T3.T.1 T3.T.1 T2.T.1 T2.T.1 T5.T.1 T5.T.1 T4.T.1 T4.T.1 T8.T.1 T8.T.1 R+-（c）64.0257.6232.0151.2225.6144.8219.2138.4112.806.400.00100frequence4%9080706050403020100T3.T.1 T3.T.1 T2.T.1 T2.T.1 T7.T.1 T7.T.1 T5.T.1 T5.T.1 T8.T.1 T8.T.1 R+-177.384141.907106.430159.645124.16888.69270.95353.21535.47717.7380.000bendingStress100%9080706050403020100T3.T.1 T3.T.1 T8.T.1 T8.T.1 T5.T.1 T5.T.1 T2.T.1 T2.T.1 T1.T.1 T1.T.1 R+-41第 61 卷第 3 期4.5 优化目标数学模型建立及求解（1）机架优化目标数学模型在建立优化模型前，首先要确立好优化的设计变量，以机架结构中 T1、T2、T3、T5、T6、T7共计 6 个对机架质量、第 1 阶模态频率影响最大组件对应的厚度尺寸作为设计变量，在满足正常工作性能和保障机架不发生共振的条件下，以机架质量与第 4 阶模态频为优化目标，建立机架的多目标优化数学模型为minMass（X）min frequence4.,frequenceHzstressMPaXTTTTi28 87156 671 2 3 5 6 7ssiTlbiub1=（2）多目标优化问题求解与结果分析HyperStudy提供的全局响应搜索算法（GRSM），可针对大规模多目标问题进行优化求解，且相对容易得到全局最优解9。故以 GRSM 算法对机架的近似模型进行寻优求解，求解得到最大应力约束条件下满足工作条件的优化目标结果如图 9 所示。由图 9 综合分析，采用方案 2 时，机架质量最小，其余参数也达到了设计要求，故选择方案 2作为轻量化设计最终方案。机架经优化后的质量为63.77 kg，质量减轻了 40.56%；机架第 4 阶模态频率为 46.08 Hz，减小了 4.26%，避开了共振频率；机架最大应力为 64.87 MPa，减小了 27.17%。优化后机架各项性能都得到了一定的提升，前后各参数变化如表 5 所示。表 5 机架优化前后设计方案对比（a）（b）（c）（d）图 8 T1、T2 与各目标响应的拟合曲面Fig.8 Fitting surfaces of T1,T2 and each target response（a）T1、T2 与质量的拟合曲面（b）T1、T2 与 1 阶模态频率的拟合曲面（c）T1、T2 与 4 阶模态频率的拟合曲面（d）T1、T2 与弯曲工况下最大应力1.258E-011.232E-011.207E-011.182E-011.156E-011.131E-011.105E-011.080E-011.055E-011.029E-01 No resultMassT2.T.1T1.T.10.127 50.112 56.06.05.55.55.05.04.04.03.03.02.52.52.03.53.54.54.52.758E+012.787E+012.816E+012.845E+012.874E+012.903E+012.932E+012.961E+012.990E+013.019E+01No result frequence1T2.T.1T1.T.130.529.06.06.05.55.55.05.04.04.03.03.02.52.52.03.53.54.54.55.984E+015.818E+015.652E+015.486E+015.320E+015.154E+014.989E+014.823E+014.657E+014.491E+01No result frequence4T2.T.1T1.T.1605652486.06.05.55.55.05.04.04.03.03.02.52.52.03.53.54.54.53.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+013.299E+01 No result BendingStressT2.T.1T1.T.1373533316.06.05.55.55.05.04.04.03.03.02.52.52.03.53.54.54.5（b）0 50 100 150 200 250迭代步数12011010090807060机架质量/mm（a）T1 T2 T3 T5 T6 T7变量方案 1方案 2方案 36优化值/mm54321李世成：烟苗移栽机机架轻量化研究42农业装备与车辆工程 2023 年Tab.5 Comparison of rack design schemes before and after optimization参数优化前值优化后值圆整值变化率/%T14 mm2.466 mm2.5 mm-62.50T24 mm2.018 mm2.0 mm-50.00T33 mm2.091 mm2.1 mm-70.00T53 mm1.660 mm1.2 mm-40.00T63 mm1.272 mm1.3 mm-43.33T78 mm6.016 mm6.0 mm-75.00Mass107.3 kg63.77 kg-40.56Frequence446.08 Hz48.13 Hz-4.265 结论（1）针对初始设计的机架进行轻量化研究，基于有限元软件 HyperMesh 建立机架有限元模型，并展开机架动静态力学特性校核与分析，得到机架存在大量强度冗余和抗共振能力较弱的信息；（2）利用 HyperStudy 完成设计变量筛选与试验样本点采样响应面的拟合，得到机架轻量化设计的近似模型，利用全局响应搜索算法近似模型进行求解，根据目标期望挑选机架优化参数，得到优化后的机架设计方案；（3）优化后的机架质量减少 40.56%，第 4 阶模态频率减小至 46.08 Hz，避开了外部激振频率的影响，表明优化后的机架具备了良好的力学性能。参考文献1 朱兴亮,郭彦克,韩长杰,等.茄果类钵苗自动移栽机设计与试验 J.中国农机化学报,2021,42(05):19-26.2 张亮有,王亚湖,琚超,等.基于响应面分析法的桥式起重机主梁轻量化设计 J.中国工程机械学报,2021,19(5):462-465.3 夏小敏,王伯铭,全颖.悬挂式个人快速运输车辆转向架构架结构轻量化优化研究 J.城市轨道交通研究,2021,24(10):166-170.4 吴钟鸣,徐礼辉,郭语.小型电动汽车车架的设计与轻量化改进 J.现代制造工程,2020(04):77-82.5 薛会民,王远鹏,程一夫.高刚性轻量化研球机床身结构优化设计 J.机床与液压,2021,49(8):72-75,79.6 王婷婷,张姗,秦东晨,等.基于耐撞性的汽车多腔结构吸能盒轻量化设计 J.机械设计与制造,2021(5):111-114.7 张凯,苏小平,周大双.某铝合金后副车架的分析与轻量化研究 J.重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(07):102-108.8 王强,苏小平,鲁宜文.Kriging 近似模型在副车架轻量化设计中的应用试验 J.轻工学报,2018,33(02):95-101.9 赵东伟,尹怀仙,张洪信,赵清海,付磊.基于组合近似模型的城市客车车架轻量化研究 J.公路与汽运,2020,(01):1-5,10.作者简介 李世成（1997-）男，硕士研究生，研究方向：机械电子工程。E-mail:（c）图 9 优化目标结果Fig.9 Optimization objective results（a）GRSM 算法优化结果 （b）机架质量频率迭代曲线（c）机架第 4 阶频率迭代曲线58565452504846第 4 阶模态频率/Hz0 50 100 150 200 250迭代步数