噴霧機噴桿結構動力學優(yōu)化設計.pdf

1、噴桿式噴霧機是大田作業(yè)中應用最廣泛的植保機具，寬幅型噴桿式噴霧機對提高施藥效率、減少作業(yè)過程中的農(nóng)作物損害具有積極作用。噴桿式噴霧機田間施藥過程中，由行駛路面起伏所產(chǎn)生的外部激勵會導致噴桿結構產(chǎn)生振動響應，從而影響霧滴沉積均勻性，縮短噴桿使用壽命。噴桿的結構動力學性能，是抑制噴桿振動響應，提高作業(yè)過程中藥液噴灑均勻性的關鍵。
　　針對噴霧機噴桿結構動力學特性初始設計缺陷，提出了一種基于遺傳算法的多變量優(yōu)化設計方法。通過有限單元法分

2、析噴霧機噴桿結構的動力學特性，依據(jù)結構優(yōu)化設計理論搭建優(yōu)化問題的數(shù)學模型，以噴桿結構形狀及桿件截面尺寸為變量參數(shù)，優(yōu)化設計出一種動力學性能優(yōu)越的噴桿結構，并進行試驗驗證及性能測試。主要開展的研究工作有：
　?。?）從理論上分析了結構動力學優(yōu)化設計的基本思路，結合噴霧機噴桿結構的桿系構型特點，確立了噴桿結構動力學特性的優(yōu)化設計方法及實施方案。
　　（2）基于MATLAB數(shù)值計算平臺，編寫了等截面均質(zhì)自由桿件的結構動力學特性計算

3、程序，采用ISIGHT多學科集成平臺求解樣本空間中各桿件的結構動力學特性，依據(jù)結果繪制各參數(shù)因子與一階固有頻率的關系曲線，分析了噴桿結構桿件各截面參數(shù)對其動力學特性的影響規(guī)律。
　?。?）基于ABAQUS有限元分析平臺，建立了以平面十八桿桁架單元為基礎構型的單側(cè)噴桿參數(shù)化有限元模型，將結構模型的各節(jié)點坐標值和桿件截面尺寸定義為參數(shù)化變量，并分析其結構動力學特性。為避免優(yōu)化算法因各變量量級差異導致收斂失敗，采用統(tǒng)一設計變量法，將各類

4、設計變量統(tǒng)一映射到相同數(shù)值區(qū)間，以獲得等量級的無量綱設計變量。
　　（4）基于ISIGHT多學科多目標集成優(yōu)化平臺，提取了噴桿參數(shù)化模型的設計變量組，將噴桿結構的質(zhì)量定義為目標函數(shù)，結構的一階固有頻率定義為約束函數(shù)，使用多島遺傳優(yōu)化算法(MIGAalgorithm,geneticmulti-island)，對噴桿桁架的結構形狀及桿件截面尺寸進行優(yōu)化，得到了一階固有頻率為10.87 Hz，質(zhì)量為35.82 kg，幅寬為5m的單側(cè)噴桿

5、結構模型。
　?。?）為了確保結構數(shù)值模型在工程應用中的可靠性，采用模態(tài)測試技術對噴桿結構參數(shù)化數(shù)值模型展開了可靠性驗證。根據(jù)加工工藝對優(yōu)化后模型的結構參數(shù)進行圓整，并制造出噴桿樣品。為了使實體模型與數(shù)值模型保持一致，將噴桿水平固定在混凝土立柱上形成懸臂結構，采用單點敲擊、多點采集法（single-input multiple-output,SIMO）提取噴桿結構實體的模態(tài)信息。計算顯示，噴桿結構的前6階實體測試模態(tài)與數(shù)值計算模態(tài)

6、的頻率誤差率均小于10％，相同階次模態(tài)信息對應振型的模態(tài)置信度值(model assurance criterion,MAC)均大于0.85，均符合實際工程參考要求。
　?。?）為了驗證噴桿結構優(yōu)化結果，在ABAQUS平臺中構建噴桿式噴霧機的剛?cè)峄旌险麢C模型，并結合作業(yè)激勵進行隨機振動仿真?？紤]到噴霧機輸藥管路一般采用軟管鋪設，對噴桿結構特性影響很小，將模型中管路及噴頭以均勻布置的等效質(zhì)量點替代。通過將位移功率譜密度（PSDden