王利鶴，趙永來，崔紅梅，李穎，胡樹平 

摘要: 深松技術是機械化保護性耕作的關鍵技術。。通過 Solidworks 建立了深松機的三維模型，采用 solidThinking Inspire 軟件進行機架的拓撲優化，從減少質量和提高剛度 2 個角度考慮，并對優化后的機架進行驗證。結果表明: 優化后的機架最大應力降低了 31. 30% ，質量減少了 39. 03% ，且固有頻率與拖拉機振動頻率差距較大，有效地避免了共振現象的發生。通過本次優化設計，提高了機架的靜力學性能和穩定性，滿足了深松作業要求。此方法可以為深松機機架的設計和優化提供參考。

深松技術是機械化保護性耕作的 4 大關鍵技術之一，開展深松技術研究對解決我國農業機械 化發展中瓶頸問題和推動農業生產發展具有重要意義。通過深松作業的實施，可以利用深松鏟打破土壤犁底層，疏松土壤，調節土壤固、液、氣 三相比，改善土壤耕層結構，減輕土壤板結現象和 水土流失，提高土壤的蓄水排澇能力，從而實現土壤肥力的自我恢復與增產增收。

雖然我國中小型深松機的研究比較成熟，但是深松過程中深松鏟入土較深，所受作業阻力較大，容易造成機架扭曲變形。深松機機架的靜態性能與動態特性影響深松作業效率和作業質量，并且深松機在作業時靠振動減阻，在深松過程中的振動容易引起機架共振，造成機架的變形甚至損壞。為提高機架的靜力學性能及實現輕量化設計，采用 solidThinking Inspire 軟件進行機架的拓撲優化，并對優化后的機架進行有限元模態分析，確定其固有頻率和振型，并通過前幾階模態振型得到機架整體彎曲剛度和扭轉剛度的分布情況。

1 深松機整體結構及工作原理

利用 Solidworks 軟件建立深松機的三維模型， 其結構和組成如圖 1 所示。深松機主要由機架、 懸掛裝置、鏟柄、鏟尖及鏟固定裝置等零件組成。 機架主要由前橫梁、前縱梁、側板、后橫梁、鏟柄安裝座、后縱梁、中間橫梁焊接而成，上懸掛連接板和拉板通過螺栓連接固定在焊接的機架上，以加強機架的強度和剛度。在深松作業時，深松機通過懸掛裝置與拖拉機相連，通過拖拉機的牽引進行深松作業。深松鏟通過鏟固定裝置與機架緊固連接。拖拉機對深松機的牽引力通過機架傳遞到深松鏟上，轉化為深松鏟切削土壤的力，從而破壞土壤的粘結力，改善土壤耕層結構，實現土地的耕整地作業。限深輪的作用是為了控制入土深度，保證深松的深度。

                                                                   圖 1 深松機整體結構

2拓撲優化

2.1拓撲優化前處理

為了提高機架的靜力學性能，同時有效降低機架的質量，有必要對原有機架進行拓撲優化。本次優化使用的軟件是 Altair 公司的solidThinking Inspire 軟件，該軟件可根據用戶輸入的邊界條件、需要進行優化的零部件和優化目標進行拓撲優化，最終得出理想的結果，供設計人員參考。

在對機架進行拓撲優化前，先刪除原有設計的減重孔，將機架原先的梁都刪除，得到一塊大的 平板，再將其設置為設計空間，然后設置材料和施加載荷，定義好接觸關系。模型如圖2 所示。

                                                                圖 2 拓撲優化前機架模型

2.2以質量為目標的優化方案

在進行拓撲優化時，首先需設定優化目標。 此處以大幅度減少質量為目標進行優化，當目標質量設置為原始質量的 30% 時，solidThinking Inspire軟件輸出的優化結果如圖 3所示。

由圖3可知: 在以質量為目標進行優化時，需要減重的部位集中在機架平板的前半部分以及平板的兩側，說明這些部分應力較小，可以進行結構優化。

                                 圖 3 目標設置為 30% 原始質量時的最大 剛度分布優化結果

2.3以剛度為目標的優化方案

已知 Q235 碳鋼的屈服強度，為確保機架在正常工作時不會發生疲勞失效，設置安全系數，得到許用應力

此處以大幅度提高剛度為目標進行優化，當 安全系數設置為 1.5 時，solidThinking Inspire 軟件輸出的優化結果如圖4所示。

                                         圖 4 安全系數為 1.5 時的最小質量分布優化結果

由圖 4 可知: 在以剛度為目標進行優化時，需要減重的部位集中在機架平板的中間部分、前端部分以及平板兩側，說明這些部分應力較小，可以 進行結構優化。

2.4 拓撲優化結構 

綜合考慮以質量為目標的優化方案和以剛度 為目標的優化方案，并結合機架的加工難度和制作成本，最終得到的優化結果如圖 5所示。優化后的機架質量為 233. 76 kg，相較原始質量降低了 39. 03% 。

                                                                        圖5 優化后機架結構

3優化驗證及模態分析

3.1優化后靜力性驗證 

對優化后的機架施加原先的邊界條件，得到 的優化后應力分布云圖如圖 6所示，最大應力為 177.79 MPa。

                                               圖6 優化后應力分布云圖

優化后最大應力處云圖如圖 7 所示，最大應力處位于固定機架的螺栓孔的根部。

                                                圖7 優化后最大應力處云圖

由以上的分析結果可知: 機架在外力作用下最大應力為 177. 79 MPa，降低了 31. 30% 。最大應力處位于固定機架的螺栓孔的根部，可以通過 加大倒圓角來優化。其余部分的應力均在 100 MPa 以下，可認為本次優化滿足要求。

3.2模態分析

在添加模態分析的邊界條件處理時，按照是否添加約束可分為自由模態和約束模態。因為深松機在工作時通過懸掛裝置與拖拉機連接，因此 在計算時需要裝配好相關零件并在連接處施加約束。

經 ANSYS Workbench 軟件計算得到的前 6 階 的固有頻率和振型如表 1 和圖 8 所示。

                                                   表 1 前 6 階模態分析結果

從表 1 可以得出，機架各階固有頻率隨階次 增加而遞增，前 6 階固有頻率范圍分布在18 ～ 35 Hz 之間。而拖拉機輪胎對高頻有衰減作用，傳遞 到機身的主要是0～15Hz 的低頻隨機振動［21－23］， 因此機架不會發生明顯的振動疊加。

前 6 階振型如圖 8 所示。

                                                                     圖8 前 6 階模態振型

從圖 8可以看出: 機架 1 階模態振型主要為 深松鏟固定裝置的振動，最大位移為 0. 843mm; 機架 2 階模態振型主要為機架左右兩側的振動，最大位移為 0.986mm; 機架 3 階模態振型主要為機架左右兩側的振動及后梁的彎曲變形，最大位 移為 0.461mm; 機架 4 階模態振型主要為機架整 體的彎曲扭轉，導致機架的多個橫梁和縱梁發生變 形，最大位移為 0.113mm; 機架 5 階模態振型主要為機架左右兩側的振動，最大位移為 1. 013 mm; 機 架 6 階模態振型主要為深松鏟固定裝置的振動及前梁的彎曲扭轉，最大位移為.749 mm［16］。

3結束語

為提高機架的靜力學性能及實現輕量化設 計，采用 solidThinking Inspire 軟件進行機架的拓撲優化，從減少質量和提高剛度 2 個角度考慮，最終實現拓撲優化。

對優化后的機架進行靜力學分析和模態分析，發現優化后的機架最大應力降低了 31. 30%，質量減少了 39.03% ，并且固有頻率與拖拉機振動頻率基本錯開，不會發生振動疊加現象。

通過本次優化設計，提高了機架的靜力學性 能和穩定性，滿足了深松作業要求。此方法可為深松機機架的設計和優化提供參考。