# 调整螺栓! $ 动臂! $ 滑块! $ 紧固螺栓! $ 静臂 $ ! % ( ' 图C 伸缩臂结构简图 !
6 伸缩臂模态分析 !
对伸缩臂结构进行模态分析#可以在试制样机 前预测产品的动态性能#也能够在设计阶段根据需 要优化结构以消除或抑制振动&噪声等不利影响# 避免外界激振频率与结构自然频率相同#防止共振 现象产生$因此利用 - 5 5分别对伸缩臂结构在 (O 全伸&全缩工况下的振动模态进行仿真分析$ 伸缩臂的静臂与其支承&静臂与举升液压缸之 间均为 铰 接# 因 此 约 束 % 个 方 向 的 平 动 自 由 度 !9 ) &) " 和 ! 个 法 向 的 转 动 自 由 度 ! < & )&T B /T = /< " =B #释放沿轴销中心回转的转动自由度 ! < " /9# = 采用适用于大型结构模态分析的分块兰索斯方法进 行模态扩展#并对伸缩臂全伸及全缩两种工况提取 前'阶模态及振型进行求解#其模态值和对比折线 图如表!和图,所示$考虑到绿篱修剪机工作机构 振动频率较低#低阶模态对伸缩臂结构的振动特性 影响较大#因而从后处理器中提取前两阶振型如图 +所示$
表4 伸缩臂模态值 !
工况 全 伸 工 况 阶次 # ! % ( ' 全 缩 工 况 # ! % ( ' 频率 , -B %$ ! #!+ %$ % #'& #&+ #$ + ##% %$ ( !'# '$ + '$ # (&& '$ ' '+( #'! '$ + #)" ,$ + !%# %$ + 振型 整体平稳# * 面内动臂略上下振动 < /
图8 伸缩臂两工况模态对比 !
由仿真分析结果可知伸缩臂两工况前两阶模态 固有频率较低$车载式绿篱修剪机的外界激励源主 要包括修剪主刀头电机&承载车发动机以及绿篱机 发电机#在设计和选型时应尽量避开伸缩臂的低阶 固有频率#保证整个机构的安全性和可靠性$
B 伸缩臂的拓扑优化 !
减轻伸缩臂重量&增大伸缩臂刚度是改善绿篱 修剪机结构性能的重要途径$本文利用 - 5 5 的 (O 拓扑优化工具箱对伸缩臂结构进行拓扑优化#即在 保证结构体积约束下#减少结构的变形能#寻找最 佳的材料分配方案#从而减轻伸缩臂的总体质量# 增加结构的整体刚度$采用的拓扑优化方法为变密 度法#即人为地建立材料密度与材料特性之间的关 系#不引入微观结构和附加的均匀化过程#以每个 单元的相对密度作为设计变量$优化结构需要进行
% 抽象加工)*$
/ <* 面内动臂端上下振动 .* 面内滑块处弯曲振动 / / <* 面整体上下振动 .* 面内整体呈 5型振动 /
整体平稳# * 面内动臂略上下振动 < /
/ <* 面内滑块端臂端上下振动 / <* 面内动臂末端水平振动 / <* 面内动臂末端垂直振动 / 式中! "..伸缩臂重力#(% . % . H..重量转化系数#一般取#! $% % ..刀盘重力#(% # . $ ..伸缩臂运行时的惯性力#$ .B" # > > . >
($
空间$ 基于结构刚度优化的结果#可对伸缩臂进行 改进设计#由于拓扑优化结构不连续#必须对优 化结果加以抽象$兼顾制造加工工艺的可行性与 成本的控制#可以利用筋板等结构来减小质量和 增加强度#用减小动臂型钢厚度等措施来减小伸 缩臂的质量#增加其刚度与可靠性#实现结构的 轻型化设计$
利用 4= 8 测量功能对实体模型质量属性进 /行测量#伸缩臂质量 B" .#' L " K #刀盘质量 B# . #& L ! K #因伸缩臂伸缩速度为 ! CC A " - #其垂直方 向惯性加速度相对较小#取>. $ ! - !#计算伸 "" C A 缩臂垂直载荷 . ("( ($ !,$ ' 对伸缩臂在全伸工况下的有限元模型#在其高
!#$ ! ! ""# 上半月刊"
(( ( !
图3 !拓扑优化密度分布 E
图3 !目标函数随迭代次数收敛关系 3
< 结论 !
本文运用三维软件 4= 8 对车载式绿篱修剪 /机伸缩臂结构进行了实体建模#利用数据交换将其 导入有限元分析软件 - 5 5 ( O #并针对伸缩臂全伸 及全缩两工位进行了动力学模态分析#分析了低阶 振动模态对伸缩臂结构的影响$通过 - 5 5 中的 (O 拓扑优化功能对初始结构在高位修剪和低位打草两 种工况下进行了拓扑优化设计#并结合加工工艺及 经济性要求#提出了伸缩臂结构优化的方向#为车
载式绿篱修剪机及同类产品的结构设计提供参考$
! 参考文献" )*谭建国G使用 - 5 5 G 进行有限元分析 ) * 北 # ( O& " 7 G 京,北京大学出版社# "! !" G )*刘寅东#卞钢G基于 - 5 5的结构拓扑优化及二次开 ! (O 发 )* 船舶力学# "& ! , ! * ! G HG !" #!" #" ## )*蒋红旗G汽车起重机吊臂有限元优化设计 )* 煤矿 % HG 机械# "' ! , * # !" #!" ) # G

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