基于ANSYS和Design-Expert的农用挖掘机斗杆机构优化设计.pdf

57第2期薛亚军 等：基于ANSYS和Design-Expert的农用挖掘机斗杆机构优化设计基于ANSYS和Design-Expert的农用挖掘机斗杆机构优化设计薛亚军1，赵家庆2，魏 鹏1（1.毕节市农业机械研究所，贵州 毕节 551700；2.毕节市农业发展集团有限公司，贵州 毕节 551700）摘 要：JKW-20山地农用挖掘机斗杆机构存在设计冗余，在保证安全可靠的前提下，为解决斗杆机构材料冗余问题，实现轻量化改进，建立了农用挖掘机挖掘装置斗杆机构耦合模型，通过ANSYS软件静力学仿真及拓扑优化，确定了斗杆机构拓扑优化新结构。由于拓扑优化结构不符合实际生产要求，基于优化结果设计斗杆变量，确定优化目标函数，利用Design-Expert进行斗杆机构尺寸优化求解。由优化结果对比可知：运用Design-Expert优化后的斗杆结构相对原结构具备更轻的质量和更大的强度，该方法不仅节约了JKW-20山地农用挖掘机的生产成本，还可为类似的机构设计提供优化思路。关键词：ANSYS；Design-Expert；农用挖掘机；斗杆机构中图分类号：S229 文献标识码：A 文章编号：1673-2154（2024）02-0057-05现代农业装备第45卷第2期2024年4月Vol.45No.2Apr.2024Modern Agricultural Equipment收稿日期：2023-09-18作者简介：薛亚军（1997），女，研究生，农艺师，主要从事农业机械化研究。E-mail：0 引言从古至今，农业生产都是国家经济发展不可或缺的一部分，因此受到各国广泛重视1。近年来，由于科技进步发展带来的农业生产结构大调整，使得农业机械快速发展。农用挖掘机能够大幅提升农业生产效率，降低生产成本2，其研究受到越来越多学者的重视。农用挖掘机广泛应用于高标准农田建设、机耕道建设等农业生产建设中3，与工程上所使用的大型挖掘机相比，其结构大同小异，不同点在于所处的工作环境不同。农业挖掘机所处工作环境往往地块较小4，因此要求农业挖掘机要小巧灵活以满足生产需要。而动臂、斗杆、铲斗作为农用挖掘机的挖掘装置，是整个设备的核心组成部分5，是与工作对象直接接触的部分，挖掘机作业质量直接受性其能好坏的影响6。现发现 JKW-20型农用挖掘机挖掘装置的斗杆机构存在设计冗余，基于此，本文以挖掘装置斗杆机构的最大等效应力和质量为切入点，运用 ANSYS 进行静力学仿真和拓扑优化仿真，对斗杆机构进行优化设计，以优化结果为基础设计斗杆变量，确定优化目标函数，利用 Design-Expert 对斗杆机构相关参数进行优化，旨在减少斗杆机构的设计冗余，并为类似机构优化设计提供思路。1 斗杆机构设计分析JKW-20 山地农用挖掘机由铲斗机构、斗杆机构及动臂机构组成，其基本型式如图 1 所示，由挖掘机工作原理可知铲斗和动臂尺寸决定斗杆尺寸大小，动臂油缸伸出长度和斗杆油缸长度决定了斗杆在工作过程中的位置关系7。1.动臂液压缸；2.动臂；3.斗杆液压缸；4.斗杆；5.铲斗液压缸；6.铲斗图 1 JKW-20 山地农用挖掘机基本型式铲斗尺寸 l1计算如式（1）所示：58现代农业装备2024年l1=R=2QB(2-sin2)（1）式中：R铲斗挖掘半径，mm；Q铲斗标准斗容量，m3；B斗宽，mm；2满载挖掘角度，（）；土壤松散系数。通过查询 JKW-20 山地农用挖掘机工作参数，取 Q 为 0.3 m3，B 为 750 mm，2 为 96，为 1.25，代入式（1）求解得铲斗尺寸 l1为 800 mm。动臂尺寸 l2计算如式（2）所示：l2=R-l11+K1 （2）式中：K1挖掘机特性参数，通过查询可知 K1=1.4。斗杆尺寸 l3计算如式（3）所示：l3=l2K1 （3）将 K1分别代入式（2）和式（3），求解得动臂尺寸 l2为 1 900 mm，斗杆尺寸 l3为 1 300 mm。斗杆挖掘力 F 计算如式（4）所示：F=SP4 （4）式中：S斗杆液压缸作用面积，cm2；P斗杆液压缸最大工作压强，Mpa。通过查询技术手册可知 P 为 22 Mpa，S 为 61.45 cm2代入上式求解得 F 为 33 800 N。2 斗杆机构结构优化2.1 优化框架建立选用 ANSYS Workbench 作为斗杆机构结构优化平台，建立如图 2 所示的斗杆机构静力学仿真 A 模块与拓扑优化 B 模块耦合优化框架，运用该优化框架首先进行斗杆机构静力学仿真试验，验证仿真参数的准确性后，将仿真结果与拓扑优化模块共享，从而使拓扑优化对斗杆机构优化求解的结果更加准确可靠8。图 2 斗杆机构优化框架2.2 斗杆结构的仿真优化分析 首先将斗杆机构三维模型导入到图 2 的 ANSYS静力学仿真 A 模块，其次对斗杆机构进行预处理，预处理主要包括网格划分、载荷施加及铰点约束9。网格划分运用智能网格划分工具进行划分，划分网格选择四面体网格，载荷施加根据上文斗杆设计分析结果进行添加，同时添加斗杆与动臂及铲斗的连接铰点约束为转动副，然后通过求解得到如图 3 所示的斗杆机构静力学仿真结果，将静力学仿真结果导入拓扑优化 B 模块，设置最大迭代次数为 300 次、收敛精度为 0.1%、质量削减为 20%，通过拓扑优化迭代计算，得到如图 4 所示的斗杆机构结构优化求解结果，通过对图 4 优化结果分析，可以明显看出斗杆机构材料冗余位置位于低应力主体区域，根据设计经验对材料进行规则化修正得到如图 5 所示的斗杆机构新结构模型，但由于新模型的建立过程中，设计者主观设计影响，存在一定设计误差10，由图5 可知，斗杆机构结构优化的部分主要是斗杆中间空洞的截面，由于截面的大小以及位置对斗杆机构的强度及性能有影响，故设计如图 6 所示的两圆弧尺寸变量 r1、r2和两圆弧圆心与斗杆和连杆大小铰点的距离变量 a、b，通过响应面优化方法求解最优尺寸变量组合，确定斗杆中间空洞的截面位置及尺寸大小，从而实现斗杆机构轻量化改进，使斗杆机构具备更轻的质量和更大的强度。图 3 斗杆机构静力学仿真结果59第2期薛亚军 等：基于ANSYS和Design-Expert的农用挖掘机斗杆机构优化设计图 4 斗杆机构结构优化效果图 5 斗杆机构设计模型图 6 斗杆尺寸变量示意图3 斗杆机构参数化优化3.1 确定尺寸变量优化数学模型斗杆机构的轻量化取决于质量大小，强度取决于最大等效应力大小，因此为探明斗杆机构 4 个尺寸变量与斗杆机构最大等效应力和质量的关系，将最大等效应力和质量设置为响应变量 P、M，自变量分别设置为 a、b、r1、r2。设置如表 1 所示的四因素三水平正交仿真试验编码，斗杆尺寸变量变化范围基于拓扑优化的最大和最小取值范围，将表 1 的试验因素输入到 Design-Expert 响应面分析软件中得到如表 2 所示的响应面试验设计结果统计表，然后通过软件的数据拟合分析，确定响应变量多元线性函数数学模型11。最终根据设置的优化目标函数及各尺寸变量的交互作用求解最优尺寸变量组合。表1 四因素三水平正交仿真试验编码编码值试验因素距离小铰点的距离a/mm距离大铰点的距离b/mm小圆半径r1/mm大圆半径r2/mm-140045025300500550355016006504570表2 响应面试验设计结果统计编号试验因素试验指标距离小铰点的距离a/mm距离大铰点的距离b/mm小圆半径r1/mm大圆半径r2/mm最大等效应力P/Mpa质量M/kg1-1000215.98223.942-1100223.07237.2130000208.63266.7840100228.56252.1351000204.38272.8760-100216.31249.237000-1232.11248.02800-10208.61266.789010-1224.23245.561000-10199.98274.3411-1-100213.42237.081201-10232.25234.6213-1010219.69255.7614100-1202.01276.32151100215.95255.5416-10-10217.67243.52170010209.98262.57180001238.63236.7119-100-1206.14259.582010-11198.73252.78210-1-1-1180.02268.46221-110226.86273.6923011-1210.24233.43240101201.83238.63251-110189.79218.4426-1-1-1-1190.88230.38270111195.64239.81281111207.57206.25291010176.36254.333.2 斗杆机构尺寸变量参数化优化通过 Design-Expert 响应面分析软件对表 2 试验数据进行数据拟合分析，得出最大等效应力 P 与斗杆机构 4 个尺寸变量的二元线性函数数学模型（5）为：60现代农业装备2024年P=218.35+3.79a-8.08b+7.94r1+0.76r2 +3.27ab-13.78ar1+4.42ar2+4.21br1 （5）+5.93br2+8.7r1r2-8.84a2-0.4b2 -7.39r12-10.03r22质量 M 与斗杆机构 4 个尺寸变量的二元线性函数数学模型（6）为：M=257.22+13.96a-2.45b+2.42r1-9.81r2 +3.94ab-14.74ar1+5.46ar2+5.08br1 （6）+7.23br2+10.51r1r2-9.98a2-0.5b2 -7.03r12-14.41r22二元线性函数数学模型中各响应变量系数的绝对值大小代表该响应变量对该数学模型的影响程度9，通过对式（5）和（6）分析可知，4 个尺寸变量对斗杆机构最大等效应力的影响程度为：距离大铰点的距离 b 小圆半径 r1距离小铰点的距离 a 大圆半径 r2，4 个尺寸变量对斗杆机构质量的影响程度为：距离小铰点的距离 a 大圆半径 r2距离大铰点的距离 b 小圆半径 r1。为了验证运用 Design-Expert 响应面分析软件对斗杆机构最大等效应力和质量数据拟合的合理可行性12，得到如表 3 和表 4 所示的斗杆最大等效应力和质量方差分析，由表 3 和表 4 可知：模型 P 值均 0.000 1，说明两拟合模型均是极其显著的，且两模型的失拟检验 P1为 6.08、P2为 8.53 均大于 0.05，决定系数 R12=0.997 6、R22=0.997 4，表明两拟合模型不存在失拟因素干扰，拟合误差较小。表3 斗杆最大等效应力方差分析来源平方和自由度均方差FP模型2 521.714180.12414.950.000 1a68.68168.68158.220.000 1b163.051163.05375.630.000 1r1157.451157.45362.72 0.0001 r21.4311.433.290.091 1ab6.3016.3014.500.001 9ar1111.691111.69257.300.000 1ar211.51111.5126.520.000 1br19.5219.5221.930.000 4br218.90118.9043.54 0.000 1r1r240.65140.6593.650.000 1来源平方和自由度均方差FPa2355.961355.96820.020.000 1b20.4410.441.020.328 7r21151.471151.47348.950.000 1r22279.011279.01642.750.000 1残差6.08140.43失拟检验6.08100.615 401.54 0.000 1纯误差4.510-441.1310-4R210.997 6表4 动臂质量方差分析来源平方和自由度均方差FP模型3 274.6514233.90383.72 0.000 1a932.921932.921 530.45 0.000 1b14.96114.9624.540.000 2r114.69114.6924.100.000 2r2240.691240.69394.85 0.000 1ab9.1519.1515.020.001 7ar1127.841127.84209.72 0.000 1ar217.56117.5628.80 0.000 1br113.87113.8722.750.000 3br228.05128.0546.02 0.000 1r1r259.37159.3797.40 0.000 1a2453.291453.29743.62 0.000 1b20.6810.681.120.307 1r21137.131137.13224.96 0.000 1r22575.871575.87944.71 0.000 1残差8.53140.61失拟检验8.53100.857 585.34 0.000 1纯误差4.510-441.1310-4R220.997 43.3 参数化优化结果分析通过方差分析结果可知运用 Design-Expert 响应面分析软件对斗杆机构最大等效应力和质量数据拟合是合理可行的，因此可以运用该方法对 4 个尺寸变量最佳优化组合进行求解，其优化设置如下：续表61第2期薛亚军 等：基于ANSYS和Design-Expert的农用挖掘机斗杆机构优化设计设置优化目标：M=f （a,b,c,d）minP=f （a,b,c,d）min （7）设置约束条件：M 0;P0400a 600450b 65025 r14530 r270 （8）基于已拟合得到的数学模型，运用 Box-Behnken响应面分析优化法得到斗杆机构 4 尺寸变量优化结果：距离小铰点的距离 a 为 476 mm、距离大铰点的距离 b 为 630 mm、小圆半径 r1为 25 mm、大圆半径r2为 66 mm，与原始设计对比得到如表 5 所示的优化结果对比，第 1 组表示原始设计结果，第 2 组表示优化设计结果，通过对比运算。表5 优化结果对比编号距离小铰点的距离a/mm距离大铰点的距离b/mm小圆半径r1/mm大圆半径r2/mm最大等效应力P/MPa质量M/kg15005503550208.63266.7824766302566179.07212.64 3优化比例14.17%20.29%4 结语本文基于 ANSYS 和 Design-Expert 对农用挖掘机挖掘装置的斗杆机构进行优化设计，优化结果如下：1）4 个尺寸变量对斗杆机构最大等效应力的影响程度为：距离大铰点的距离 b小圆半径 r1 距离小铰点的距离 a大圆半径 r2；4 个尺寸变量对斗杆机构质量的影响程度为：距离小铰点的距离 a大圆半径 r2 距离大铰点的距离 b小圆半径 r1。2）通过方差分析结果可知：两模型的失拟检验P1=6.08、P2=8.53 均大于 0.05，决定系数 R12=0.997 6、R22=0.997 4，表明两拟合模型不存在失拟因素干扰，拟合误差较小，因此表明运用 Design-Expert 响应面分析软件对斗杆机构进行优化设计是合理可行性。3）运用 Box-Behnken 响应面分析优化法得到斗杆机构 4 尺寸变量优化结果：距离小铰点的距离 a 为476 mm、距离大铰点的距离 b 为 630 mm、小圆半径r1为 25 mm、大圆半径 r2为 66 mm，与原始设计相比最大等效应力降低 14.17%，质量降低 20.29%，优化后斗杆机构具备更轻的质量和更大的强度。参考文献1 张晓亮，耿占斌，彭鹏.我国农用挖掘机行业状况分析 J.农机质量与监督，2014（1）：22-25.2 李静，梁文波.基于 PLC 的农用挖掘机电气控制系统的设计 J.农机化研究，2021，43（4）：221-224，229.3 李琚陈.农用液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及优化设计 D.合肥：安徽农业大学，2015.4 安存胜，路买林，聂福全.农用挖掘机铰接回转装置的改进 J.工程机械与维修，2013（6）：186-187.5 董翰林.液压挖掘机工作装置设计及动力学仿真分析 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.6 孙晓红.液压挖掘机铲斗、斗杆以及动臂的 PID 控制效果研究 J.机械管理开发，2023，38（8）：189-190.7 李志虎.基于 CAE 的挖掘机工作装置运动仿真分析 J.工程机械，2022，53（10）：77-81.8 聂阳文，胡星，闫磊.基于 ADAMS 的液压挖掘机工作装置优化分析J.计算机仿真，2019，36（11）：300-304.9 MINGDONG C,DINGXUAN Z.Research on boom energy recovery system with closed circuit in Hydraulic ExcavatorsC/Proceedings 2011 International Conference on Transportation,Mechanical,and Electrical Engineering(TMEE):954-957.10 ARAI R,SAKAI S,KATO T.Numerical energy behavior analysis while digging in Hydraulic Cylinder Dynamics of Agriculture Scale ExcavatorsC/2022 61st Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers(SICE):146-151.11 王佳良，赵振川，许栋鹏，等.基于响应面法的机械管柱性能优化研究 J.时代汽车，2023（6）：146-148.12 何剑敏，叶燕飞，杨建，等.汽车钢制车轮的响应面法优化设计 J.机械设计与制造，2022（1）：172-176.（下转第67页）67第2期倪世鹏 等：玉米轻型免耕精量施肥播种机使用管理与维护保养Management and Maintenance of Maize Lightweight No-tillage Precision Fertilizer Seeder NIShipeng1,LIJing2,BAIXudong3(1.Agricultural Machinery Safety Supervision Station of Ningxia Hui Autonomous Region,Yinchuan 750002,China;2.Ningxia Hui Autonomous Region Agricultural Project International Cooperation Service Center,Yinchuan 750002,China;3.Dongsheng Agricultural Equipment Machinery Co.,LTD.,Fuxin 123000,China)Abstract:In order to solve the problem that the local conventional corn precision fertilizer seeder needs to break the plate and release seedlings due to the influence of rainfall,a light no-tillage corn precision fertilizer seeder is introduced,and the above problem is solved by using the contour limited depth wheel seeding monomer technology.Based on the local application of the introduced maize light no-tillage precision fertilizer seeder,this paper summarizes the technical requirements and methods of its correct use and adjustment,safety standard operation,fault analysis and elimination,maintenance,etc.,in order to provide technical reference for the use of similar models in relevant circumstances.Key words:corn;no tillage;seed drill;maintenance;maintainOptimized Design of Bucket Rod Mechanism of Agricultural Excavator based on ANSYS and Design-ExpertXUEYajun1,ZHAOJiaqing2,WEIPeng1(1.Bijie Agricultural Machinery Research Institute,Bijie 551700,China;2.Bijie Agricultural Development Group Co.,Ltd.,Bijie 551700,China)Abstract:JKW-20 mountain agricultural excavator bucket rod mechanism exists design redundancy,under the premise of ensuring safety and reliability,in order to solve the problem of material redundancy of the bucket rod mechanism and realize the improvement of lightweighting,the coupling model of the bucket rod mechanism of the excavating device of the agricultural excavator is established,and the new structure of topology optimization of the bucket rod mechanism is determined through the static simulation and topology optimization of the ANSYS software.Since the topology optimization structure does not meet the actual production requirements,based on the optimization results to design the bucket rod variables,determine the optimization objective function,the use of Design-Expert to optimize the size of the bucket rod mechanism to solve.From the comparison of the optimization results,it can be seen that the bucket rod structure optimized by Design-Expert has a lighter mass and greater strength than the original structure,and this method not only saves the production cost of the JKW-20 mountain agricultural excavator,but also provides optimization design ideas for similar mechanisms.Key words:ANSYS;Design-Expert;agricultural excavator;bucket rod mechanism（上接第61页）