噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、噴桿式噴霧機(jī)是大田作業(yè)中應(yīng)用最廣泛的植保機(jī)具，寬幅型噴桿式噴霧機(jī)對(duì)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(jī)田間施藥過程中，由行駛路面起伏所產(chǎn)生的外部激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致噴桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，從而影響霧滴沉積均勻性，縮短噴桿使用壽命。噴桿的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能，是抑制噴桿振動(dòng)響應(yīng)，提高作業(yè)過程中藥液噴灑均勻性的關(guān)鍵。
　　針對(duì)噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性初始設(shè)計(jì)缺陷，提出了一種基于遺傳算法的多變量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過有限單元法分

2、析噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，依據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論搭建優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，以噴桿結(jié)構(gòu)形狀及桿件截面尺寸為變量參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)越的噴桿結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及性能測(cè)試。主要開展的研究工作有：
　?。?）從理論上分析了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路，結(jié)合噴霧機(jī)噴桿結(jié)構(gòu)的桿系構(gòu)型特點(diǎn)，確立了噴桿結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及實(shí)施方案。
　?。?）基于MATLAB數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，編寫了等截面均質(zhì)自由桿件的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算

3、程序，采用ISIGHT多學(xué)科集成平臺(tái)求解樣本空間中各桿件的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，依據(jù)結(jié)果繪制各參數(shù)因子與一階固有頻率的關(guān)系曲線，分析了噴桿結(jié)構(gòu)桿件各截面參數(shù)對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律。
　?。?）基于ABAQUS有限元分析平臺(tái)，建立了以平面十八桿桁架單元為基礎(chǔ)構(gòu)型的單側(cè)噴桿參數(shù)化有限元模型，將結(jié)構(gòu)模型的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值和桿件截面尺寸定義為參數(shù)化變量，并分析其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。為避免優(yōu)化算法因各變量量級(jí)差異導(dǎo)致收斂失敗，采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量法，將各類

4、設(shè)計(jì)變量統(tǒng)一映射到相同數(shù)值區(qū)間，以獲得等量級(jí)的無量綱設(shè)計(jì)變量。
　?。?）基于ISIGHT多學(xué)科多目標(biāo)集成優(yōu)化平臺(tái)，提取了噴桿參數(shù)化模型的設(shè)計(jì)變量組，將噴桿結(jié)構(gòu)的質(zhì)量定義為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)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(duì)噴桿桁架的結(jié)構(gòu)形狀及桿件截面尺寸進(jìn)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(jié)構(gòu)模型。
　?。?）為了確保結(jié)構(gòu)數(shù)值模型在工程應(yīng)用中的可靠性，采用模態(tài)測(cè)試技術(shù)對(duì)噴桿結(jié)構(gòu)參數(shù)化數(shù)值模型展開了可靠性驗(yàn)證。根據(jù)加工工藝對(duì)優(yōu)化后模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行圓整，并制造出噴桿樣品。為了使實(shí)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(jié)構(gòu)，采用單點(diǎn)敲擊、多點(diǎn)采集法（single-input multiple-output,SIMO）提取噴桿結(jié)構(gòu)實(shí)體的模態(tài)信息。計(jì)算顯示，噴桿結(jié)構(gòu)的前6階實(shí)體測(cè)試模態(tài)與數(shù)值計(jì)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(duì)應(yīng)振型的模態(tài)置信度值(model assurance criterion,MAC)均大于0.85，均符合實(shí)際工程參考要求。
　?。?）為了驗(yàn)證噴桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，在ABAQUS平臺(tái)中構(gòu)建噴桿式噴霧機(jī)的剛?cè)峄旌险麢C(jī)模型，并結(jié)合作業(yè)激勵(lì)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真。考慮到噴霧機(jī)輸藥管路一般采用軟管鋪設(shè)，對(duì)噴桿結(jié)構(gòu)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(diǎn)替代。通過將位移功率譜密度（PSDden