轻量化三七移栽机车架有限元分析及拓扑优化设计

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.02.006

摘要/Abstract

摘要：

三七是我国种植规模最大，开发利用较多的大宗药材之一，而云南省作为我国三七主要的产区，由于地形和农艺要求的影响，传统农业机具难以进入移栽区域进行作业，导致目前三七移栽仍采用传统人工作业方式，为此，研制一款三七移栽机对于促进三七产业化发展尤为重要。车架作为移栽机车身重要的承载结构，对整车性能的优劣有着至关重要的影响。为此，针对移栽机车架进行结构分析，旨在提升车架结构及整车的性能，为车架结构设计提供理论依据。利用SolidWorks软件建立车架三维模型，并导入ANSYS软件中进行静态有限元分析，通过静态电测试验确定有限元分析的应力值和试验真实应力值的相对误差范围后，对不同工况下车架动载性能进行分析以及前8阶模态振动变形分析，基于分析结果可知车架具有良好强度性能，但座椅位置存在较大变形，结构的刚度不足的问题。采用拓扑优化对车架进行优化设计，在保证车架应力分布合理的情况下减少车架变形情况通过改变斜撑支架结构布置实现减小变形的目的。根据优化设计结果，使车架总质量增加8.739%，变形量减小88.268%，最大应力减小11.693%。改进后的车架最大应力有所降低，并且车架变形有何明显改善，研究表明通过有限元法以及拓扑优化技术对于指导移栽机车架的结构设计具有较好的适用性。

关键词: 三七, 移栽机, 车架, 有限元, 拓扑优化, 模态分析

Abstract:

Panax Notoginseng is one of the most extensively cultivated and utilized bulk medicinal materials in China， and Yunnan Province is the main producing area for Panax Notoginseng in the country. Due to the influence of terrain and agronomic requirements， traditional agricultural machinery faces difficulties in entering the planting areas for operation， resulting in the current manual operation of Panax Notoginseng transplantation. Therefore， the development of a Panax Notoginseng transplanting machine is crucial for promoting the industrialization of Panax Notoginseng. As the crucial load-bearing structure of the transplanting machine， the frame significantly affects the overall performance of the vehicle. This paper focuses on the structural analysis of the transplanting machine frame， aiming to improve the performance of the frame and the entire vehicle， and provide theoretical basis for frame structural design. A three-dimensional model of the frame is established using SolidWorks software and imported into ANSYS software for static finite element analysis. After determining the relative error range between the stress values obtained from static electrical tests and experimental stress values， the dynamic loading performance of the frame under different working conditions and the modal vibration deformation analysis of the first eight modes are conducted. The analysis results indicate that the frame exhibits good strength performance， but significant deformation occurs at the seat position， indicating insufficient stiffness of the structure. Topology optimization is employed to optimize the frame design， aiming to reduce frame deformation while ensuring reasonable stress distribution. By altering the arrangement of diagonal brace brackets， the goal of reducing deformation is achieved. According to the optimization design results， the total mass of the frame increases by 8.739%， while the deformation is reduced by 88.268%， and the maximum stress is decreased by 11.693%. The improved frame exhibits reduced maximum stress and significantly improved deformation， demonstrating the applicability of finite element method and topology optimization technology in guiding the structural design of transplanting machine frames.

Key words: Panax Notoginseng, transplanting machine, frame, finite element, optimization design, modal analysis

中图分类号:

S223.9

马遥, 苏微, 赖庆辉, 张弦, 于庆旭, 宛渊. 轻量化三七移栽机车架有限元分析及拓扑优化设计[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2024, 5(2): 51-60.

MA Yao, SU Wei, LAI Qinghui, ZHANG Xian, YU Qingxu, WAN Yuan. Finite element analysis and topology optimization design of lightweight Panax Notoginseng transplanting machine frame[J]. Journal of Intelligent Agricultural Mechanization, 2024, 5(2): 51-60.

图/表 16

图1 三七轻量化移栽机1.电池总成2.传动装置　3.电机　4.后轮　5.座椅位置6.移栽装置　7.前轮　8.机架

Figure 1 Panax Notoginseng lightweight transplanting

图2 移栽机车架几何模型1.前轮支撑横梁2.移栽装置总成支撑横梁　3.踏板4.踏板支撑纵梁5.座椅总成支撑横梁　6.电池总成支撑纵梁7.电机支撑横梁8.传动总成支撑纵梁　9.竖直支撑梁10.斜支撑梁11.纵梁　12.前轮支撑板

Figure 2 Geometric model of transplanting frame

表1 45Mn碳素钢材料参数

Table 1 Material parameters of 45Mn carbon steel

材料参数	数值
拉伸强度/MPa	600
屈服强度/MPa	355
弹性模量/MPa	2.1×10⁵
泊松比	0.269
密度/（kg·m^-3）	7.85×10³

表2 有限元分析中各载荷数值

Table 2 Load values in finite element analysis

序号	载荷名称	载荷数值/N	施加位置
1	直流减速电机	137.2	电机支撑横梁
2	第一级传动装置总成	147	传动总成支撑纵梁
3	驾驶员与座椅总成	686	座椅总成支撑横梁
4	移栽装置总成	392	移栽装置总成支撑横梁
5	铅酸电池	137.4	电池总成支撑纵梁
6	种苗箱及种苗	98	踏板支撑纵梁

图3 移栽机车架动载荷边界条件处理

Figure 3 Processing of dynamic load boundary conditions for transplanting frames

图4 满载弯曲工况下应力与变形分布图

Figure 4 Stress and deformation distribution diagram of full load bending conditions

图5 满载扭转工况下应力与变形分布图

Figure 5 Stress and deformation distribution diagram under full load torsion conditions

图6 车架应力测点位置分布示意图注：图中1-18表示车架各个测力点位置。

Figure 6 Stress distribution of observation points

表3 静态应变试验结果与有限元分析结果对比

Table 3 Contrast between results of static strain test and ANSYS analysis

测点号	试验值/MPa	计算值/MPa	相对误差/%
1	0.998 53	1.137 9	-13.958
2	49.628	44.741	9.847 3
3	22.887	24.294	-6.147 6
4	97.427	91.561	6.020 9
5	14.869	13.731	7.653 5
6	2.989 2	3.412 3	-14.15 4
7	2.482	2.361 1	4.871 1
8	38.992	40.778	-4.580 4
9	103.35	93.456	9.573 3
10	25.237	36.308	-43.868
11	23.181	24.181	-4.313 9
12	43.877	53.888	-22.816

图7 移栽机车架的前8阶模态振形图

Figure 7 First 8 order model vibration shape of transport plane frame

表4 车架结构的各阶模态频率表

Table 4 Modal frequency of frame structure

阶数	频率f/Hz	振型特征
1	16.085	二阶绕z轴弯曲振动
2	17.597	扭转振动
3	29.554	绕x弯曲振动
4	40.022	二阶扭转振动
5	42.237	绕z轴弯曲振动
6	55.044	扭转振动
7	70.228	绕x弯曲振动
8	77.446	弯扭组合振动

图8 拓扑优化流程

Figure 8 Topology optimization process

图9 拓扑优化

Figure 9 Topology optimization

图10 新车架结构优化方案

Figure 10 New frame structure optimization scheme

图11 结构改进后车架的等效应力云图和变形云图

Figure 11 Equivalent stress and displacement of improved frame

表5 车架模型优化前后各主要性能参数对比值

Table 5 Comparison of main parameters before and after price

变量名称	优化前	优化后	变化情况/%
车架总质量/kg	19.910	21.650	增加8.739
弯曲最大等效应力/MPa	154.11	134.87	减少12.484
弯曲最大变形量/mm	10.774	1.264	减少88.268
扭转最大等效应力/MPa	237.57	209.79	减少11.693
扭转最大变形量/mm	11.599	4.287 5	减少63.035
一阶扭转频率/Hz	17.597	29.131	增加65.545
一阶弯曲频率/Hz	29.554	41.433	增加40.194

参考文献 26

1	2021年度云南省中药材产业发展报告［R］. 昆明：云南省农业农村厅， 2022.
2	秦伟，于英杰，赖庆辉，等. 导苗管式三七种苗栽植机构参数优化试验［J］. 浙江农业学报， 2022， 34（3）： 614-625.
	QIN Wei， YU Yingjie， LAI Qinghui， et al. Parameter optimization experiment of seedling guiding tube transplanting machine of Panax notoginseng seedling ［J］. Acta Agriculturae Zhejiangensis， 2022， 34（3）： 614-625.
3	杨文彩，朱有勇，张汝坤，等. 构建农机农艺融合的工程技术体系，促进云南三七产业可持续发展［C］// 第八届云南论坛-弘扬云南农耕文化•发展高原特色农业， 2012： 59-64.
4	黄鸣辉，汤庆，宋哲文，等. 旱地移栽机械取苗机构发展现状与趋势［J］. 智能化农业装备学报（中英文）， 2023， 4（4）： 57-64.
	HUANG Minghui， TANG Qing， SONG Zhewen， et al. Development status and trends of the development of seedling pick-up mechanism of transplanter in dry land ［J］. Journal of Intelligent Agricultural Mechanization， 2023， 4（4）： 57-64
5	李嘉婧. 浅山丘陵作业车辆底盘关键部件的设计与分析研究［D］. 银川：宁夏大学， 2022.
	LI Jiajing. Design and analysis of key components of chassis for light-duty vehicles in shallow mountainous terrain ［D］. Yinchuan： Ningxia University， 2022.
6	谢龙汉，刘新让，刘文超. ANSYS结构及动力学分析［M］. 北京：电子工业出版社， 2012.
7	ORZOLEK M D. Stand establishment in plasticulture systems ［J］. Hort Technology， 1996， 6（3）： 181-185.
8	KUMAR G V P， RAHEMAN H. Vegetable transplanters for use in developing countries—A review ［J］. International Journal of Vegetable Science， 2008， 14（3）： 232-255.
9	韩红阳，陈树人，邵景世，等. 机动式喷杆喷雾机机架的轻量化设计［J］. 农业工程学报， 2013， 29（3）： 47-53， 293.
	HAN Hongyang， CHEN Shuren， SHAO Jingshi， et al. Lightweight design of chassis frame for motor boom sprayer ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（3）： 47-53， 293.
10	吴伟斌，廖劲威，洪添胜，等. 山地果园轮式运输机车架结构分析与优化［J］. 农业工程学报， 2016， 32（11）： 39-47.
	WU Weibin， LIAO Jingwei， HONG Tiansheng， et al. Analysis and optimization of frame structure for wheeled transporter in hill orchard ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（11）： 39-47.
11	龙超. 车辆与路面相互作用下路面结构动力分析［D］. 长沙：湖南大学， 2014.
	LONG Chao. Research on dynamic response of pavement structure due to vehicle and pavement interaction［D］. Changsha： Hunan University， 2014.
12	尤晋闽. 车辆对路面作用的动载荷研究［D］. 西安：长安大学， 2006.
	YOU Jinmin. Study on dynamic road of vehicles on pavement ［D］. Xi'an： Chang'an University， 2006.
13	刘惟信. 汽车设计［M］. 北京：清华大学出版社， 2001.
14	江征风. 测试技术基础［M］. 北京：北京大学出版社， 2007.
15	刘宏新，郑利双，徐高伟，等. 标准四驱水田自走底盘转向驱动桥设计与工程结构分析［J］. 农业工程学报， 2015， 31（8）： 54-60.
	LIU Hongxin， ZHENG Lishuang， XU Gaowei， et al. Design and engineering structure analysis on paddy-field chassis steering drive axle with standard all-wheel-drive ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（8）： 54-60.
16	傅志方. 振动模态分析与参数辨识［M］. 北京：机械工业出版社， 1990.
17	柏林. 重型载货汽车车架有限元分析及拓扑优化［D］. 合肥：合肥工业大学， 2010
	BO Lin. Finite elements analysis and topological optimization of heavy-duty truck's frame ［D］. Hefei： Hefei University of Technology， 2010.
18	胡溧，施耀贵，杨啟梁. 基于有限元法的某型大学生方程式赛车车架优化设计［J］. 武汉科技大学学报， 2015， 38（1）： 31-34.
	HU Li， SHI Yaogui， YANG Qiliang. Optimization of a FSAE car frame based on the finite element method ［J］. Journal of Wuhan University of Science and Technology， 2015， 38（1）： 31-34.
19	耿胤. 基于振动特性的联合收获机车架的结构优化［D］. 成都：四川农业大学， 2022.
	GENG Yin. Structural optimization of combine harvester frame based on vibration characteristics ［D］. Chengdu： Sichuan Agricultural University， 2022.
20	林韡. 客车骨架结构分析及优化研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2011.
	LIN Xue. Research on the analysis and optimization of the coach-body frame ［D］. Hefei： Hefei University of Technology， 2011.
21	周方思，李立君，欧阳益斌. 基于ANSYS的除草机车架轻量化研究［J］. 林业工程学报， 2017， 2（6）： 103-109.
	ZHOU Fangsi， LI Lijun， OUYANG Yibin. Lightweight research of mower frame based on ANSYS ［J］. Journal of Forestry Engineering， 2017， 2（6）： 103-109.
22	李兴昌，邓旻涯，杨云杰. 基于发动机安装位置的货车车架减振优化［J］. 企业技术开发， 2018， 37（12）： 65-68.
	LI Xingchang， DENG Minya， YANG Yunjie. Optimization of vibration of truck's frame based on engine mounting location ［J］. Technological Development of Enterprise， 2018， 37（12）： 65-68.
23	王学鹏. 多功能电动车车架结构有限元分析及优化［D］. 武汉：武汉理工大学， 2010.
	WANG Xuepeng. The finite element analysis and optimization of a multi-function electric vehicle frame ［D］. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2010.
24	张娜娜，赵匀，刘宏新. 高速水稻插秧机车架的轻量化设计［J］. 农业工程学报， 2012， 28（3）： 55-59.
	ZHANG Nana， ZHAO Yun， LIU Hongxin. Light design of frame for self-propelled chassis rice transplanter ［J］. Transactions of the CSAE， 2012， 28（3）： 55-59.
25	洪恺. 基于Hyperworks和Ansys的汽车车架有限元分析［D］. 长沙：湖南大学， 2011.
	HONG Kai. FEM analysis of truck frame model based on Hyperworks and Ansys ［D］. Changsha： Hunan University， 2011.
26	扶原放，金达锋，乔蔚炜. 微型电动车车架结构优化设计方法［J］. 机械工程学报， 2009， 45（9）： 210-213.
	FU Yuanfang， JIN Dafeng， QIAO Weiwei. Optimization method for a mini electric vehicle frame structure ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2009， 45（9）： 210-213.

[1]	黄鸣辉, 汤庆, 宋哲文, 刘浩, 吴洋, 朱庭伟. 旱地移栽机械取苗机构发展现状与趋势[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2023, 4(4): 57-64.
[2]	谢滨, 张志成, 宋中建, 王冉冉, 刘雨萌, 石国萍. 农业废弃物快速好氧发酵设备设计与试验[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2023, 4(1): 62-70.
[3]	张永政, 曹成茂, 秦宽, 朱成亮, 李光耀, 葛俊, 方梁菲, 周强. 线式供苗全自动甘薯移栽机设计与试验[J]. 智能化农业装备学报（中英文）, 2022, 3(2): 28-36.