1主梁的有限元模型构建
主梁有限元模型的构建是进行有限元结构分析设计的基础。主梁有限元模型的构建是在Geometry模块下、DesignModeler环境中完成的，其三维模型结构简单，只需构建宽度B=100mm、厚度t=5mm和长度l=1830mm的空心方钢即可。在创建有限元模型过程中，通常要对模型实体进行合理的简化，对于结构复杂且承受对称方式分布的静载荷，可以截取模型的50%用于有限元分析，以减少计算量、节约运算时间。同时，考虑到划分网格方便，可以去除一些次要的倒角，这种简化可能会对该区域的应力分布产生局部影响，但对于整个模型的受力并无明显影响［4］。在三维建模的过程中，还需要在主梁的上表面添加吸附面，便于添加约束和施加载荷。点击工具栏中的“LookAt”图标，进入到草图模式，从绘图工具箱中选择cir-cle。画一个和图中相同大小的矩形，添加尺寸标注，注意尺寸名称和大小与实际受力一致，如图2所示。从工具栏中选择“Extrude”，但不要Generate，在明细面板中将operation改为“ImprintFaces”，再点击“Gen-erate”拉伸，完成吸附面的建模。在主梁模型DetailsView中的parameters中选中DS_H1与DS_H8两个尺寸添加为参数，建立的有限元模型如图2所示。
2主梁的有限元静力学分析
双击StaticStructure模块，设置单位系统，在主菜单中选择Units＞Metric(mm，kg，N，s，mV，mA)项;定义主梁的材料属性，主梁的材料为Q235，密度为7.85E－06kg/mm3，杨氏模量为2E+05MPa，泊松比为0．3。双击Model启动Mechanicalapplication。2．1网格划分AnsysWorkbench提供了多种网格划分方法，如四面体划分法、扫掠划分法、自动划分法、表面网格划分法和多区划分法等。划分网格过程中，网格质量是影响分析结果的重要因素。复杂几何区域的网格单元会变扭曲，劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无结果。有很多方法来检查单元网格质量(meshmetrics)。例如，一个重要的度量是单元畸变度(Skewness)。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在0(极好的)到1(无法接受的)之间的比例因子。设置好相关选项后，左击Mesh展开Sizing和Statistics项，对MeshMetric选择Skew-ness。右击Mesh并生成网格，同时要注意网格的粗糙度和统计学。进入Mechanial环境，划分主梁网格。由于主梁模型的结构简单，这里采用自动网格划分法，网格划分生成14765个节点，2250个单元，通过单元畸变度的柱状图，可以看到网格质量基本上是优秀的，网格划分模型如图3所示。2．2施加约束与载荷主梁在移栽机试验过程的装卡位置，采用Fixedsupport方法对中间的一个吸附面施加固定约束。当拖拉机将移栽机托起至悬空状态时，主梁通过U型卡子承受移栽机自身的重力，将这些作用在主梁上的外载荷简化为等效载荷，主梁上等效载荷相应的受力点、大小和方向如图4所示。3．3求解并分析结果通过有限元进行线性求解，主要对主梁的等效应力和全位移进行分析。分析结果显示:主梁所受最大应力为37．964MPa，最大应力集中部位如图5所示;最大应变为0．14973mm，最大应变部位如图6所示。
3主梁的有限元优化设计
主梁尺寸的优化采用Workbench下多目标优化求解的方法［5］，求解的步骤通常先定义状态参数和目标参数，再查看响应分析和优化分析，最后进行求解并验证。其原理是因为在外载荷作用不变的情况下，由于几何参数发生变化，导致相应的主梁应力、质量和变形都发生改变，从而找到最合理的设计点。而且利用Workbench软件提供的多目标优化求解法，可以观察设计点的优化情况。不同样本所含设计点的具体参数值如表1所示。设计点的选取是按照GB/T6728－2002方形冷弯空心型钢尺寸规格的规定进行选取的［6］。多目标优化设计的步骤，首先要导入以上完成的静力学分析文件，双击Parameterset，不能进入Mechanicalapplica-tion，接着在设计点表格中添加表1所示的5个设计点，更新所有设计点，显示状态栏中会显示更新的进度。在Outlineofallparameters中点击选中输出参数，双击DesignPointVs输出参数会显示图形，如图7所示。通过对输出参数图形的分析和优化结果可以得出:3号设计点所对应的结果为最优解，此时质量最小，最大应力为148．18MPa，最大变形为3．4207mm，并留有一定的安全裕度，满足使用要求。在确定了第3设计点为最优设计点后，将设计点DP3复制到当前状态，在DP3的输入参数格点击鼠标右键选择CopyinputstoCurrent，注意当前状态的改变，此时第3点的数值就会被置为当前状态。在Current上点击鼠标右键选择Up-dateSelectedDesignPoint，更新完成后返回到项目，双击Model检查结果，会发现与优化设计后的结果相符，此时完成了优化设计的过程。
4结论
本文以移栽机主梁的有限元分析为切入点，简要介绍了基于AnsysWorkbench的优化设计基本步骤和注意问题。通过对移栽机主梁的优化分析，使主梁的质量由27．3kg减小到11．1kg质量减小了59．3%，达到了优化要求。优化前后参数值的对比如表2所示。由表2看出，主梁优化后最大应力和最大变形均增大，但优化后的数值在使用允许的范围内，优化后主梁质量明显减小，在一定程度上降低了移栽机质量;而且通过这种多目标优化设计的方法，也可以对移栽机的其它部件进行结构尺寸优化，以整体上减轻移栽机质量，节省设计时间，降低生产制造成本，更利于移栽机的推广应用。
作者：张小志 李旭英 田阳 迟明路 单位：内蒙古农业大学 机电工程学院
