拖拉机下连杆臂的有限元模拟与机械应力分析外文翻译资料

 2022-08-09 16:35:25

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拖拉机下连杆臂的有限元模拟与机械应力分析

摘要：

下连杆臂用于将工具固定到农用拖拉机上，并且在工作时会对它们施加不同的作用力。了解在这些力的作用下下连杆的安全性和变形形状，可以帮助我们减少故障和财务损失。在这项研究中，对MF399和MF285拖拉机的下臂进行了仿真，并使用有限元方法讨论了力学分析。使用逆向工程设计了两个下臂的三维模型，并考虑了在设备最大工作深度的拉力，在模型上施加了约束，边界条件和载荷。然后，在ANSYS软件中使用有限元方法进行静态，模态和疲劳分析，然后获得下臂的安全系数。有限元的静态分析结果表明，Von-Mises应力的最大值出现在下臂与附件的连接点。这些结果表明，下臂对于使用普通的犁沟机和凿子犁是足够安全的，但是在使用播种机的情况下，断裂的可能性更高。为了防止共振频率，使用模态分析计算了下臂的固有频率。下臂的疲劳分析表明，抑制链孔周围失效的可能性很高。这些结果对于优化下臂的设计过程很有用。

关键词：MF拖拉机，下臂，有限元，静态分析，动态分析

一．介绍

为了不断努力去优化农业机械，人们进行了了众多研究，因此需要关注与该问题有关的所有方面。如今，使用计算机辅助设计技术来研究诸如力，应力分布，变形以及部件和结构的性能优化之类的因素变得更加高效，快捷[1-3]。

有限元方法（FEM）是一种非常快速而准确的数值技术，可以在构建第一个原型之前对机械零件的应力-应变和变形形状进行分析和计算，并确定关键点和非关键点[4-6]。通过更改有效属性（例如材料和表面条件），可以快速轻松地进行使用FEM进行抗疲劳优化。这种方法可以在虚拟环境中进行分析，而无需物理模型[7，8]。

Rusinski等人利用有限元法对地下矿井的装载臂进行了数值和实验失效分析[9]，Pasta和Mariotti [10]分析了修正后的正齿轮的强度，Bayrakceken [11]预测了在静态和动态载荷下汽车差速器小齿轮的机械故障。

农业机械有许多活动部件，它们在较大的静态和动态负载下工作，这可能会导致故障和停机。目前已经对农业工具的行为进行了大量研究。Mouazen和Nemenyi [12]通过有限元方法研究了土壤下铲刀在非均质砂壤土中的行为，以模拟切土过程。他们的结果表明，有限元方法是一种用于耕作机建模和分析的正确方法。Mollazade等人[13]开发了一种动态分析方法，以使用FEM选择可靠的抗疲劳的深松机最佳形状。Wan等人[14]研究了旋耕机叶片在五种土壤结构中的机械应力和土壤变形，Abu-Hamdeh等人[15]研究了圆盘犁上的土壤力。在三点悬挂式拖拉机[4，5]的提升臂上，对切碎机的皮带轮[16]以及JD联合收割机前轴[17]和秸秆助行器曲轴[18]进行了振动分析。

农用拖拉机是最受欢迎的农业机械之一，通过三点悬挂系统用于举升，拉动和其他作业[19，20]。拖拉机中发生的主要问题之一是由于高工作负荷，下臂或下连杆在与农具的连接点处断裂或变形。因此，下臂属于拖拉机中至关重要的三点悬挂部件，而该部分的故障会导致附属机具的损坏和商业损失，并且有时会对农民造成伤害。

因此，为了研究故障或变形形状的原因，似乎有必要在最困难的工作条件下对拖拉机下臂进行机械分析。这项研究的目的是在现场运行期间使用有限元方法分析MF399和MF285拖拉机（伊朗大不里士拖拉机制造）的三点悬挂装置的下臂，以发现静态和动态载荷下的安全系数和固有频率。这项研究的结果可以用来评论对构成拖拉机下臂的材料的优化，机械强度和性能的需求。

二．材料和方法

在本研究中，测量了399和285麦赛福格森拖拉机下臂的尺寸。这些用于在商业软件SolidWorks 2013中模拟下臂的三维机制。MF399和MF285拖拉机的下臂的实际示意图在图1和2中显示。然后，将用于建立FEM的CAD仿真文件导入ANSYS V15软件。表1列出了用于制造下臂的钢（St 37）的机械性能。

图1 MF399拖拉机的实际（a）和示意图（b）下臂

图2 MF285拖拉机的下臂：SolidWorks中的实际和模拟的

表1钢材的机械性能（St 37）

2.1静态分析

有限元模型使用SOLID187进行网格划分，SOLID187是三维实体元素，具有8个节点，每个节点具有三个自由度。该模型由MF399拖拉机下臂的614个元素和16,318个节点以及MF285拖拉机下臂的530个元素和99,089个节点组成（图3）。通过自由方法对模型进行网格划分。将边界条件和位移条件应用于拖拉机的手臂连接点。

MF399和MF285拖拉机下臂施加的载荷值是通过在不同工作条件下的现场测试得出的。进行拉力测试是为了确定在使用凿子，犁沟机和播种机时下臂的最大力及其方向。下臂提供与牵引车的前进方向平行施加的牵引力。在最大工作深度下（表2）测量了耕作和耕作时凿犁和犁地机设备的拉伸载荷（表2），并被视为在ANSYS软件中用于模型分析的输入载荷。

图3 ANSYS下臂的有限元模型：a MF285和b MF399拖拉机

表2 设备属性和施加在下臂的最大负载

在静态分析中，将力施加到下臂，然后对模型进行分析，然后根据Von-Mises理论计算下臂的等效拉应力。为避免零件损坏，最大应力不得超过材料的屈服强度。在静态载荷下，安全系数（FS）由屈服强度（）除以施加在下部连杆上的最大工作应力或允许应力（）（公式1）得出。在适当的设计中，FS必须大于1，这表明该结构可以在不确定的载荷条件下正常工作并保持健康[21]。

(公式1)

2.2模态分析

在可能产生共振的结构和工业组件设计中，必须进行模态分析。共振频率下的小负载可能导致结构变形和损坏。因此，机械零件的设计必须尽可能远离共振频率范围。结构固有频率的波动会增加振动幅度，并导致组件失效和断裂。模态分析用于确定固有频率的值和模态[22]。结构的固有频率取决于结构的形状，材料和支撑。但是，负载的数量和类型会影响固有频率。在这项研究中，SOLID 182和185元素用于零件的模态分析。为了确定包括弹性模量在内的材料的特性，使用了泊松比和钢的密度（St 37）（表1）。对模型进行网格划分，将边界条件应用于连接到拖拉机的下臂，并且所需的节点在所有方向上都具有约束力。然后，针对0至5000 Hz范围内的前5个固有频率对MF399和MF285拖拉机下臂进行了模态分析。

2.3疲劳分析

周期性载荷作用在结构上会产生裂纹，最终导致零件断裂，而反向应力的大小则小于结构的屈服应力。由于施加周期性载荷，这种现象称为疲劳。在ANSYS软件中，要在间歇载荷下进行疲劳分析，首先必须确定在周期性载荷下结构中所施加的应力。因此，在进行任何疲劳分析之前，应进行统计分析。然后根据应力等值线，必须检测到具有最大应力的关键节点，并且在疲劳分析之后可以对关键节点进行调查。为了获得下臂中钢材的持久应力（），通过应用150万次加载循环对模型进行了疲劳分析。为此，使用了SOLID 185元素。它是三维4节点元素，每个节点具有三个自由度。对材料，网格和应用边界条件的表征与静态分析所考虑的相同。 Soderberg方程（公式2）用于计算疲劳分析中的安全系数（FS）[23]。

（公式2）

其中是平均应力，是反向应力，K是几何应力集中系数。 在上式中，和由公式3和4得出。在这些等式中，是最大应力，被视为零。

（公式3）

（公式4）

三.结果和讨论

3.1静态分析

表3记录了MF399和MF285拖拉机下臂在受力作用下的变形。这种变形是由拖拉机拖曳时设备的抗拉强度引起的。 变形发生在机具与拖拉机下臂的连接处，并与拖拉机牵伸的方向相反。

表3静态分析中下臂的变形

基于Von-Mises理论的MF399和MF285拖拉机下臂的应力分布如图4所示。最大的应力发生在下臂的连接装置处。MF399拖拉机下臂在犁臂，凿犁和播种机的连接点处的最高应力分别等于67.2、88.9和136 MPa。使用等式1以及最大应力，使用犁沟机，凿子和播种机进行耕作和播种操作时，MF399拖拉机下臂的安全系数分别为2.94、2.22和1.45。

此外，根据冯-米塞斯理论，MF285拖拉机下臂在犁沟，凿犁和播种机处的最高应力分别为74.7、97.3和141 MPa。最后，配备犁沟机，凿子和播种机的MF285拖拉机下臂的安全系数分别为2.65、2.03和1.40。

这些结果表明，下臂的最大应力发生在连接点，因此最可能破裂。同样，在与播种机一起工作时折断下臂的可能性大于犁沟和凿犁。

图4 MF399和MF285下臂附着在a,b犁沟，c,d凿犁和e,f钻播机上的静应力

3.2模态分析

模态分析针对0至5000 Hz范围内的5个固有频率进行了开发。结果列于表4。

表4下臂的固有频率（0–5000 Hz）

3.3疲劳分析

由于确定的载荷对结果的影响，并且疲劳分析依赖于静态分析，因此有必要将下臂的施加载荷和边界条件定义为与实际条件相同。与犁沟机，凿子犁和播种机连接的MF399拖拉机下臂在150万载荷循环后的耐力分别为7.82、7.99和9.07 MPa，同样，MF285拖拉机下臂的承受力分别为15.4、18.7和24.3。MPa（图5）。考虑到下臂上的链条抑制剂孔的应力集中系数为3，基于Soderberg准则计算了疲劳分析的安全系数，并且最大应力出现在连接点处。MF399拖拉机与犁沟机，凿犁和播种机一起工作时的安全系数分别为1.51、1.51和1.52。另外，配备犁沟机，凿犁和播种机的MF285拖拉机下臂的安全系数分别为1.53、1.54和1.56。

图5在配备a,b犁沟，c,d凿犁和e,f钻播机的MF399和MF285下臂中，通过疲劳分析得出的持久应力

四.结论

有限元法是一种有用且功能强大的方法，可以分析不同机械零件中的应力和应变分布。通过对下臂施加静力，基于Von-Mises准则的最大应力出现在下臂与机具的连接点，MF399为67.2、88.9和136 MPa，MF285为74.7、97.3和141 MPa，分别使用犁沟机，凿子犁和播种机。通过静态分析获得的最高和最低安全系数，同时将下臂分别连接到犁沟和播种机。根据这些结果，配备钻播机时下臂故障的可能性更高。此外，还基于Soderberg理论进行了疲劳分析，在连接犁沟的MF399拖拉机下臂的固定链孔处，最小安全系数为1.51。众所周知，通过静态和疲劳分析得出的安全系数还不够，建议下臂必须通过增加横截面积或减小接合点处的应力集中而变得更坚固，以免断裂和损坏。在静态分析中将安全系数提高到至少3，在疲劳分析中将安全系数提高到至少2。

参考文献

1. S. Kalpakjian, S.R. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 4th edn. (Prentice-Hal Inc., Upper Saddle River, 2001)

2. A. Jahanbakhshi, B. Ghamari, K. Heidarbeigi, Assessing acoustic emission in 1055I John Deere combine harvester using statistical and artificial intelligence methods. Int. J. Veh. Noise Vib. 13(2), 105–117 (2017)

3. A. Jahanbakhshi, B. Ghamari, K. Heidarbeigi, Effect of engine rotation speed and gear ratio on the acoustic emission of John Deere 1055I combine harvester. Agric. Eng. Int. CIGR J. 18(3), 106–112 (2016)

4. M.J. Ryken, J.M. Vance, Applying virtual reality techniques to the interactive stress analysis of a tractor lift arm. Finite Elem. Anal. Des. 35, 141–155 (2000)

5. E. Seyedabadi, Finite element analysis of lift arm of a MF-285 tractor three-point hitch. J. Fail. Anal. Prev. 15(5), 737–743 (2015)

6. A. Jahanbakhshi, S. Heidari Raz Darreh, K. Kheiralipour, Simulation and static and fatigue analysis of cross bar of moldboard plough by finite element method (FEM). Iran. J. Biosyst. Eng. 49(3), 341–352 (2018). https://doi.org/10.22059/IJBSE.2018. 234998.664958. (In Persian)

7. S.H.R. Lo, A. Bevan, Fatigue analysis of a plate-with-a

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