基于ANSYS Workbench的果园雾炮打药机风筒的力学特性分析

陈 丽，谢 钰，陈梅艳，范九荣，叶选林

（云南开放大学 机电工程学院，云南 昆明 650223）

随着社会经济的不断发展，我国水果的消费水平和种植情况都有了一定的提升[1，2]。近年来我国水果种植面积持续增长，据统计，2021 年我国水果的种植面积已经达到了12 646.3 khm2[1]。随着果树的大面积种植，传统的喷药技术和器具已经很难满足大型果园的管理需求[3，4]。雾炮打药机是目前大型果园农药喷洒的重要器具之一，根据作业需求的不同，雾炮打药机的喷雾射程一般在20～100 m，随着喷雾射程和喷射量的提高，雾炮打药机的结构强度和稳定性也不断提高，风筒的结构及其稳定性是影响雾炮打药机性能的主要因素之一[5]。

雾炮打药机的风筒一般由薄板制成[6]，雾炮打药机的风扇电机安装在风筒内部，风机的转速一般为3 000 r/min，雾炮打药机的功率越大，雾炮打药机的电机和风筒的体积越大，对风筒的结构稳定性要求越高[8，9]。本文以射程80 m 的大型雾炮打药机为研究对象，分析风筒的力学特性，为后续雾炮打药机的优化提供理论依据。

1 分析模型

本文的分析对象为射程80 m的雾炮打药机的风筒，风筒的长度为1 820 mm，风筒的直径为780 mm，风筒采用薄钢板焊接而成，为了增强风筒的强度，风筒包含内外两层，两层之间设有与壁面垂直的筋板，风筒的外侧面设有两个对称的支撑结构和一个导向结构，其结构见图1，其材料特性见表1。

表1 风筒材料参数Tab.1 Material parameters of air duct

图1 风筒结构Fig.1 Air duct structure

2 静力学分析

静力学分析是分析机械结构稳定性的一种常用方法，其能直观地反映出机械结构在静力作用下的力学特性。

2.1 静力学分析预处理

在ANSYS Workbench 中，用户可以根据自己所需要的材料来定义分析模型所使用的材料，本文根据表1 的参数建立分析材料模型。将图1 的模型导入到ANSYS Workbench 中，并将按照表1定义的材料施加到几何模型上。采用自动网格划分的方法，并添加尺寸参数控制来对风筒进行网格划分[10]。

2.2 施加工作载荷与约束

风筒在工作过程中，受到的约束主要有2个，第一个为作用在2 个支撑上的轴承支撑，另外一个是作用在导向结构上的轴承支撑，在ANSYS Workbench中，将上述2个约束施加到模型上。由于2个约束构成三角形结构，本文为了简化模型，将轴承约束改为固定约束。

风筒在工作过程中，主要受到的力为风扇电机的重力、自身重力和风扇产生的反作用力，其中风扇电机的重力和风扇反作用力都作用在电机安装板上，风扇电机的重力大小为380 N，方向竖直向下，风扇的反用力大小为600 N，方向与喷射方向相反，重力加速度为9.8 m/s2。在ANSYS Workbench中，将上述3 个力施加到模型上。约束和载荷的施加方式见图2。

图2 约束与载荷Fig.2 Constraints and loads

2.3 静力学分析结果

将处理好的模型提交ANSYS Workbench 求解计算，将计算的结果后处理，得到风筒在正常工况下的等效应力云图、等效应变云图和总变形云图。

图3是风筒的等效应力云图，从图中可以看出，风筒的应力主要出现在电机安装板、风筒内层和电机安装板的筋板上，最大应力出现在风筒内层与筋板相接触的位置，最大值为36.93 MPa，该值远小于材料的强度，在额定工况下，风筒能保持稳定的工作。

图3 等效应力云图Fig.3 Stress nephogram

图4 是风筒的等效应变云图，应力较大的位置其应变也比较大。风筒内层焊接位置的应变较大，可以将焊接位置放在风筒的最上方，降低焊接位置失效的可能性。同时，可以增加电机安板的筋板数量来降低风筒的最大应变值，提高风筒的安全性。

图4 等效应变云图Fig.4 Strain nephogram

图5 是风筒的总变形云图，从图中可以看出变形主要出现在电机安装板及以下的风筒部分，其中最大变形位置出现在电机安装板的后端，最大变形值为0.3 mm，基本不影响电机的正常运行。同时，风筒底部的内外两层都出现了较大的变形，电机安装板的下方需要增加辅助结构提高风筒强度。

图5 总变形云图Fig.5 Total deformation nephogram

3 模态分析

3.1 模态分析预处理

模态分析是研究结构动力学特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，模态是机械结构的固有特性，同一个机械结构具有无数阶模态，每一阶模态具有特定的固有频率和振型[10]。本文采用静力学分析中使用的载荷和约束及静力学分析结果作为模态分析的分析条件，对结构施加预应力进行模态分析，能更加精确地分析结构在工作过程中的模态特性。

3.2 模态分析结果

随着阶数的不断增大，模态分析结果的误差将会变大。根据实际工况需求，采用Block lanczos 法只提取风筒的前四阶模态，前四阶模态的振动频率范围为70.5～141.2 Hz，分析结果见表2。

表2 前四阶模态振动频率Tab.2 Modal vibration frequency

图6是风筒的一阶模态振型云图，从图中可以看出，变形主要出现在风筒的下方尾部，最大值为47.0 mm，该位置也是焊接位置，对焊接强度要求较高，为了避免应力集中，可以适当优化焊口位置，尽量避免焊口直接受力。

图6 一阶模态振型云图Fig.6 First order mode shape nephogram

图7 是风筒的二阶模态的振型云图，从图中可以看出风筒中的导流板出现了较大的变形，最大值为14.7 mm，风筒的其他的结构基本稳定。由于导流板的结构形式与风筒内的空气流动有着直接关系，导流板的结构优化需要考虑风筒内空气动力学。

图7 二阶模态振型云图Fig.7 Second order mode shape nephogram

图8 是风筒的三阶模态振型云图，从图中可以看出风筒整体都出现了较大的变形，最大的变形出现在了风筒前端的焊口位置，最大值为12.4mm。由于整个风筒均出现了较大的变形，此时很难通过优化结构的方式解决共振问题。

图8 三阶模态振型云图Fig.8 Third order mode shape nephogram

图9 是风筒的四阶模态的振型云图，从图中可以看出风筒变形的最大值出现在了风筒前端的焊口位置，最大变形值为45.0 mm。在第一和第三阶模态振型云图中，焊接位置均是变形较大的位置，为了保证风筒的安全运行，焊口安全性应进一步研究。

图9 四阶模态振型云图Fig.9 Fourth order mode shape nephogram

4 结论

风筒是雾炮打药机的重要组成部分，本文利用ANSYS Workbench 对射程为80 m 的雾炮打药机的风筒的力学性能进行了分析，得到以下结论：

①在额定工况下，风筒的最大应力为36.93 MPa，远小于材料的许用应力；最大变形量为0.3 mm，能满足雾炮打药机的正常工作需求；②在额定工况下，风筒的最大应力出现在风筒底部，对焊口的要求较高，可将焊口放在风筒的正上方，降低失效风险；③风筒的前四阶模态的振动频率范围为70.5～141.2 Hz，当外界激励频率在此范围内时，应注意共振失效问题。