轻小型平移式喷灌机结构力学性能分析与优化设计

摘要

国内外对于喷灌机的研制多集中于大型中心支轴式喷灌机和平移式喷灌机，两者均具有节水效果好、自动化程度高、灌溉效果均匀等优势。但其上百米的跨度决定了其适用地域多为大型农场，目前在我国西北地区仍以小农经济经营模式为主的现状下，大型喷灌机难以在地宽不足50m的农田施展。鉴于此，适用于小型农田灌溉的轻小型喷灌机亟待出现。桁架结构作为喷灌机的主要支撑体系，为喷灌机的平稳运行提供了必要保证。本文便以大型喷灌机桁架结构型式为基础，结合西北地区农田灌溉实际需求，设计出一款轻小型平移式喷灌机的桁架结构，以期在结构稳定的同时满足经济性的要求。本文主要的研究内容及研究结果如下： （1）为了解现有大型喷灌机桁架结构构造的合理性与不足之处，需对其各杆件受力情况作性能分析。根据对市场主流喷灌机的调查，选取出两种代表机型：维蒙特中心支轴式喷灌机与沃达尔平移式喷灌机。本章以两者的单跨结构为基础模型，利用有限元ANSYS 软件，对比分析两者在不同工况下各节点位移和各杆件受力情况。并借助Davenport谱，对脉动风荷载对结构的影响作了简要探讨。结果表明：维蒙特喷灌机的稳定性较沃达尔喷灌机更加优良。该种喷灌机的桁架结构（拱梁—拉筋式）构造合理，风荷载对于结构的侧向稳定性影响较大。 （2）根据维蒙特中心支轴式喷灌机桁架结构的构造型式，结合西北地区实际土地面积大小，初步构造出一款轻小型平移式喷灌机桁架结构。在此基础上，研究结构参数（矢高比、高跨比和撑杆数目）对整机结构性能的影响，最终确定出合理的桁架结构构造尺寸。结果表明：在综合考虑桁架稳定性与经济性的前提下，该模型的矢高比建议选取在0.4~0.45之间，高跨比建议选取在0.03~0.035之间，撑杆数目建议选取5组（即25根角钢）为宜。 （3）基于轻小型喷灌机桁架结构型式的初步确定，利用ANSYS软件优化模块中的零阶算法，通过建立数学模型，确定设计变量、状态变量、目标函数，和优化求解的过程，对喷灌机桁架结构进行截面尺寸优化设计，最终得到同时满足稳定性与经济性的轻小型平移式喷灌机桁架结构。结果表明：桁架结构尺寸优化效果较为明显，轻小型平移式喷灌机桁架结构可满足轻便性、稳定性与经济性的要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究进展及存在的主要问题

1.3 研究内容

1.4研究方法和技术路线

第二章 大型喷灌机单跨桁架结构性能分析

2.1 大型喷灌机桁架结构构造形式分析

2.2 喷灌机桁架结构静力性能分析

2.3 喷灌机桁架结构动力性能分析

2.4 小结

第三章 轻小型喷灌机桁架结构参数化分析

3.1 喷灌机桁架结构尺寸确定

3.2 喷灌机桁架结构矢高比影响因素分析

3.3 喷灌机桁架结构高跨比影响因素分析

3.4 喷灌机桁架结构撑杆数目影响因素分析

3.5 小结

第四章 轻小型喷灌机桁架结构尺寸优化设计

4.1 轻小型喷灌机桁架结构确定

4.2 喷灌机有限元模型构建

4.3 力学性能分析与杆件验算

4.4 轻小型喷灌机优化设计

4.5 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

致谢

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