基于3D打印技术的智能插秧机机构优化

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-11-19 16:26 热度：

　　摘要:针对智能插秧机，利用Catia三维设计及有限元分析技术，对插秧机结构件在不同工况下的静强度及模态进行分析，并利用拓补优化理论，对插秧机结构进行优化，且将优化前后的模型结构进行对比分析。结果表明:优化后的插秧机结构件满足插秧机实际使用需求，有效降低了结构件质量。结构优化设计后，插秧机结构件可通过3D打印技术进行结构成型，促进了3D打印技术在农业机械设计生产领域的应用。

　　关键词:插秧机结构件;3D打印;静强度分析;模态分析

　　0引言

　　插秧机机架作为连接动力装置与插秧机的核心机构，承担着插秧机的整体质量，在工作过程中，传递动力装置对插秧机的牵引力，同时对行进过程及转弯过程中的不同载荷进行传递分配[1～3]。在插秧机工作过程中，随着工作环境的变化，其受力状态复杂，易产生振动及疲劳失效，且随着粗放农业向精细化生产的转变，插秧机的轻量化也是设计过程中的一项关键指标[4]。研究结果表明:插秧机质量每减轻1kg，动力装置将节约燃料22.5L/hm2，能够有效地降低生产种植成本[5-6]。

　　笔者对插秧机主要连接机构进行拓补优化设计，将优化前后的结构进行对比，确保结构件在满足强度使用要求的前提下，使插秧机连接件结构的质量达到最优化，同时保证插秧机结构连接件具有较强的成型工艺。

　　13D打印结构优化理论

　　结构优化是在约束条件下，使设计目标达到最优化的过程，通常将设计目标定义为目标函数，并在一系列约束函数的限制下，求出目标函数的极大值或者极小值[7]。选用结构优化理论为拓补优化，在优化过程中，根据实际的使用工况对零件进行加载，并在装配条件下进行约束添加，使设计目标达到最优化[8]，结构优化过程如图1所示。

　　插秧机机架主要用于对插秧机进行固定连接，承受来自插秧过程的反向作用力及插秧机自身质量。图2所示为插秧机连接件结构。该结构件使用3D打印技术成型，其27个固定孔用于动力装置固定，一组连接孔用于承受插秧机重力及传递插秧过程的反作用力。

　　插秧机连接件选用材料为铝合金材料，插秧机连接件材料参数如表1所示，插秧机连接件所受载荷如表2所示。

　　2原始结构分析在Catia有限元插件中，根据插秧机连接件的结构特点及受力特点，设置14个安装孔完全约束固定，一组连接孔分别传递不同的载荷，进行有限元分析网格划分，共生成158609个网格单元和26420个节点数，如图3所示。

　　静强度计算后，插秧机连接件在3种不同工况条件下的应力分布如图4所示，连接件变形量如图5所示。由计算结果可以看出:应力与变形主要发生在插秧机连接件连接孔耳片域。表3所示为插秧机连接件结构前5阶固有频率。

　　3结构优化分析采用拓补结构优化理论进行插秧机连接件结构优化。优化过程中材料参数、工况载荷、约束条件及网格划分属性均与原始结构保持一致，优化目标设定为结构总质量降低10%。经优化迭代后，所得插秧机连接件优化结构的网格划分结果如图6所示，其生成149200个网格单元和227950个节点数。

　　为验证优化后插秧机连接件结构是否满足实际使用需求，对优化后插秧机连接件结构进行静强度分析。优化后插秧机连接件在3种不同工况条件下的应力分布如图7所示，连接件变形量如图8所示。优化后插秧机连接件结构前5阶固有频率如表4所示。插秧机连接件最终优化机构如图9所示。

　　4优化前后对比分析根据以上分析，插秧机连接件结构优化前后模态分析结果对比数据如表5所示，最大应力、最大应变及最小安全系数对比数据如表6所示。插秧机连接件结构原始质量为15.4kg，经迭代优化后，质量为9.9kg，结构优化减重比例35%。通过以上数据分析说明，在满足强度及使用要求前提下，插秧机连接件结构优化达到优化目标。

　　53D打印成型对优化后的插秧机连接件结构进行3D打印成型，按照实际使用需求，选用的3D打印机主要尺寸及性能参数如表7所示。

　　相关期刊推荐：《农机化研究》(月刊)创刊于1979年，由黑龙江省农业机械学会;黑龙江省农业机械工程科学研究所主办。自创刊以来，历届编委及编审人员以交流大农业概念下(包括农、林、牧、副、渔)的机械化、电气化、自动化的学术、科研成果以及与之相关的综合性述评为办刊宗旨，严把质量关，使本刊的知名度与学术地位日渐提高。

　　打印参数设置完成后，启动3D打印机，在打印成型设备的人机交互界面中，即可看到打印喷头的动作过程及相关打印成型参数。模型打印成型后，对打印的插秧机连接件结构进行相关后处理，使其满足相关设计需求。6结论针对基于3D打印技术成型的插秧机连接件，在3种不同工况条件下进行静强度分析及模态分析，综合考虑结构件最大应力值、最大变形量及安全系数，利用Catia有限元分析技术，将质量值设定为目标函数，对插秧机连接件结构进行拓补优化设计。优化结果表明:在满足插秧机连接件强度要求的前提下，减重比例达到35%。同时，采用3D打印技术对插秧机连接件结构进行快速成型，通过检测，3D打印制造的复杂结构件与设计模型基本相符。由此说明，通过3D打印技术进行的插秧机结构件优化过程具有较高的可靠性，能够广泛的应用于实际的设计生产过程中。——论文作者：宋新

文章名称：基于3D打印技术的智能插秧机机构优化

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