水田平地机静力学建模方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水田平地机静力学建模方法及系统，所述方法包括：建立水田平地机的三维实体模型，以台架替换拖拉机车身，且台架固定不动，以水田平地机的对称面作为基本平面，将调平系统视为一个质量块，在质量块的安装台上建立局部坐标系，求出质量块质心在局部坐标系下的坐标；求出质量块受到的平行连杆的作用力，平行连杆包括柔性杆和刚性杆；在柔性杆远离质量块的一端建立局部坐标系，求出柔性杆受到的作用力和附加力偶，以及求出柔性杆与质量块连接端的挠度和转角；对刚性杆进行拉压分析，求出刚性杆的轴向变形量，从而获取平行连杆与质量块连接端的形变位置。本发明专利技术为水田平地机相关零件的疲劳强度校核、动力学分析等提供了参考和依据。

【技术实现步骤摘要】
水田平地机静力学建模方法及系统
本专利技术涉及一种建模方法，尤其是水田平地机静力学建模方法及系统，属于农业机械领域。
技术介绍
水田平地机在工作过程中，平行连杆作为连接拖拉机车身与平地机调平系统的重要部件，其刚度和强度决定了调平系统是否能正常工作。以往的强度分析都是直接借助软件计算，缺乏基本的静力学分析作为理论基础。对于不同机型的平地机机型设计与控制系统的设计，都离不开平地机调平系统的动力学建模。从上世纪中期开始，国外的学者就开始对水田平地机的使用研究(FlorianDiekmann，2010)，近几年来，国内关于水田平地机的研究主要集中在液压系统和激光控制系统上，针对水田平地机控制系统进行了优化设计(杨伟伟，2016)，设计了基于多传感器融合技术的水平控制系统，使工作过程中平地铲能保持水平(黎永健，2015)。建立了平地机调平系统的动力学模型，描述了实际的平地机调平控制系统动态响应(陈嘉琪，2015)。建立了刚柔耦合的平地机多体动力学模型，通过试验验证平地铲水平倾角变化与实际结果差距明显，平地铲质心位置变化存在误差(赵祚喜，2017)。因此，建立更加精确的静力学模型和多体动力学模型对于平地机机械系统的研究具有重要意义。因此，有必要提出一种对于水田平地机刚柔一体的静力学建模方法，以满足对于该领域对于强度校核、动力学、振动特性分析等的理论要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术水田平地机研究领域的静力学建模理论匮乏存在的缺陷，提供了一种水田平地机静力学建模方法，该方法对传统水田平地机的模型进行了简化，并对模型进行了理论力学和材料力学上的分析求解，为水田平地机相关零件的疲劳强度校核、动力学分析等提供了参考和依据。本专利技术的另一目的在于提供一种水田平地机静力学建模系统。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：水田平地机静力学建模方法，所述方法包括：建立水田平地机的三维实体模型，以台架替换拖拉机车身，且台架固定不动，以水田平地机的对称面作为基本平面，将三维实体模型的调平系统视为一个质量块，在质量块的安装台上建立局部坐标系，获取质量块质心在该局部坐标系下的坐标；利用平面任意力系的平衡方程求出质量块受到的平行连杆的作用力；其中，所述平行连杆包括柔性杆和刚性杆；在柔性杆远离质量块的一端建立局部坐标系，利用平面任意力系的平衡方程求出柔性杆受到的作用力和附加力偶，以及利用弯曲变形中挠曲线微分方程求出柔性杆与质量块连接端的挠度和转角；对刚性杆进行拉压分析，利用轴向拉压变形公式求出刚性杆的轴向变形量；根据平面几何分析法，获取平行连杆与质量块连接端的形变位置。进一步的，所述获取质量块质心在局部坐标系下的坐标，具体为：忽略不计调平油缸的质量，质量块的质心与形心重合，利用平面图形的形心计算公式求出质量块质心在局部坐标系下的坐标。进一步的，所述形心计算公式如下：其中，Ai表示基本平面上质量块任一组成部分的面积，和表示基本平面上质量块任一组成部分的形心坐标，n表示质量块的n个组成部分。进一步的，所述利用平面任意力系的平衡方程求出质量块受到的平行连杆的作用力中，平面任意力系的平衡方程如下：其中，安装台上建立的局部坐标系为XOY，F1为质量块受到的刚性杆沿刚性杆方向的作用力，F2为质量块受到的柔性杆在竖直方向上的作用力，F3为质量块受到的柔性杆在水平方向上的作用力，L1为F2、F3作用点与F1作用点在Y轴方向的距离，为平行连杆与台架之间的夹角，mg为质量块自身的重力。进一步的，所述利用平面任意力系的平衡方程求出柔性杆受到的作用力和附加力偶中，平面任意力系的平衡方程如下：其中，柔性杆远离质量块的一端建立的局部坐标系为X1O1Y1，F2’为柔性杆受到的质量块在竖直方向上的作用力，F3’为柔性杆受到的质量块在水平方向上的作用力，F4为台架端对柔性杆在Y1轴方向上的作用力，F5为台架端对柔性杆在X1轴方向上的作用力，M为台架端对柔性杆的附加力偶，F6为高程油缸对柔性杆的作用力，L为平行连杆的长度，L2为F6作用点与柔性杆远离质量块的一端之间的距离。进一步的，所述弯曲变形中挠曲线微分方程如下：其中，ω为柔性杆与质量块连接端的挠度，θ为柔性杆与质量块连接端的挠度，F2’为柔性杆受到的质量块在竖直方向上的作用力，F3’为柔性杆受到的质量块在水平方向上的作用力，F6为高程油缸对柔性杆的作用力，L为平行连杆的长度，L2为F6作用点与柔性杆远离质量块的一端之间的距离，EI为柔性杆的弯曲刚度。进一步的，所述轴向拉压变形公式如下：其中，ΔL为刚性杆的轴向变形量，F1’为刚性杆受到的质量块沿刚性杆方向的作用力，L为平行连杆的长度，A1为刚性杆的横截面积，E为弹性模量。进一步的，所述根据平面几何分析法，获取平行连杆与质量块连接端的形变位置，具体包括：将柔性杆记为BP，刚性杆记为AQ，柔性杆与质量块连接端的位置为P，刚性杆与质量块连接端的位置为Q，点A与点B、点P与点Q之间的距离均记为L1，刚性杆与质量块连接端的位置从点Q变形至点Q1，在弯曲变形的影响下，柔性杆与质量块连接端的位置从点P变形至P1；以P点为圆心、L1为半径画圆，该圆的圆弧与过点Q1且垂直于AQ1线交于点Q2，即求得平行连杆与质量块连接端的形变位置Q2。进一步的，所述刚性杆有两根或以上，将两根或以上的刚性杆视为一个整体。本专利技术的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：水田平地机静力学建模系统，所述系统包括：模型建立模块，用于建立水田平地机的三维实体模型，以台架替换拖拉机车身，且台架固定不动，以水田平地机的对称面作为基本平面，将三维实体模型的调平系统视为一个质量块，在质量块的安装台上建立局部坐标系，获取质量块质心在局部坐标系下的坐标；质量块分析模块，用于利用平面任意力系的平衡方程求出质量块与平行连杆之间的作用力；其中，所述平行连杆包括柔性杆和刚性杆；柔性杆分析模块，用于在柔性杆远离质量块的一端建立局部坐标系，利用利用平面任意力系的平衡方程求出台架端对柔性杆的作用力和附加力偶，以及利用弯曲变形中挠曲线微分方程求出柔性杆与质量块连接端的挠度和转角；刚性杆分析模块，用于对刚性杆进行拉压分析，利用轴向拉压变形公式求出刚性杆的轴向变形量；形变位置获取模块，用于根据平面几何分析法，获取平行连杆与质量块连接端的形变位置。本专利技术相对于现有技术具有如下的有益效果：本专利技术通过对水田平地机进行三维实体建模，以台架替换拖拉机车身，以及将调平系统视为一个整体质量块，实现对三维实体模型的适当简化，从而获取各种参数，质量块的质心可以用形心公式计算得到，此外分别选取刚性杆和柔性杆为研究对象，由于水田平地机是刚柔耦合的多体机械系统，其中刚性杆受拉压力，其形变由胡克定律可以计算出来；柔性杆弯曲变形也可由挠曲线微分方程计算得到，最终得到形变方程，得到水田平地机刚柔一体的静力学模型，为后续动力学研究提供基础。附图说明图1为本专利技术实施例1的水田平地机静力学建模方法流程图。图2为本专利技术实施例1建立的水田平地机的三维实体模型立体图。图3为本专利技术实施例1建立的水田平地机的三维实体模型侧视图。图4为本专利技术实施例1以水田平地机的对称面作为基本平面的原理图。图5为本专利技术实施例1的质量块受力原理图。图6为本专利技术实施例1的柔性杆的受力原理图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述方法包括：建立水田平地机的三维实体模型，以台架替换拖拉机车身，且台架固定不动，以水田平地机的对称面作为基本平面，将三维实体模型的调平系统视为一个质量块，在质量块的安装台上建立局部坐标系，获取质量块质心在该局部坐标系下的坐标；利用平面任意力系的平衡方程求出质量块受到的平行连杆的作用力；其中，所述平行连杆包括柔性杆和刚性杆；在柔性杆远离质量块的一端建立局部坐标系，利用平面任意力系的平衡方程求出柔性杆受到的作用力和附加力偶，以及利用弯曲变形中挠曲线微分方程求出柔性杆与质量块连接端的挠度和转角；对刚性杆进行拉压分析，利用轴向拉压变形公式求出刚性杆的轴向变形量；根据平面几何分析法，获取平行连杆与质量块连接端的形变位置。

【技术特征摘要】
1.水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述方法包括：建立水田平地机的三维实体模型，以台架替换拖拉机车身，且台架固定不动，以水田平地机的对称面作为基本平面，将三维实体模型的调平系统视为一个质量块，在质量块的安装台上建立局部坐标系，获取质量块质心在该局部坐标系下的坐标；利用平面任意力系的平衡方程求出质量块受到的平行连杆的作用力；其中，所述平行连杆包括柔性杆和刚性杆；在柔性杆远离质量块的一端建立局部坐标系，利用平面任意力系的平衡方程求出柔性杆受到的作用力和附加力偶，以及利用弯曲变形中挠曲线微分方程求出柔性杆与质量块连接端的挠度和转角；对刚性杆进行拉压分析，利用轴向拉压变形公式求出刚性杆的轴向变形量；根据平面几何分析法，获取平行连杆与质量块连接端的形变位置。2.根据权利要求1所述的水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述获取质量块质心在局部坐标系下的坐标，具体为：忽略不计调平油缸的质量，质量块的质心与形心重合，利用平面图形的形心计算公式求出质量块质心在局部坐标系下的坐标。3.根据权利要求2所述的水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述形心计算公式如下：其中，Ai表示基本平面上质量块任一组成部分的面积，和表示基本平面上质量块任一组成部分的形心坐标，n表示质量块的n个组成部分。4.根据权利要求1所述的水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述利用平面任意力系的平衡方程求出质量块受到的平行连杆的作用力中，平面任意力系的平衡方程如下：其中，安装台上建立的局部坐标系为XOY，F1为质量块受到的刚性杆沿刚性杆方向的作用力，F2为质量块受到的柔性杆在竖直方向上的作用力，F3为质量块受到的柔性杆在水平方向上的作用力，L1为F2、F3作用点与F1作用点在Y轴方向的距离，为平行连杆与台架之间的夹角，mg为质量块自身的重力。5.根据权利要求1所述的水田平地机静力学建模方法，其特征在于：所述利用平面任意力系的平衡方程求出柔性杆受到的作用力和附加力偶中，平面任意力系的平衡方程如下：其中，柔性杆远离质量块的一端建立的局部坐标系为X1O1Y1，F2’为柔性杆受到的质量块在竖直方向上的作用力，F3’为柔性杆受到的质量块在水平方向上的作用力，F4为台架端对柔性杆在Y1轴方向上的作用力，F5为台架端对柔性杆在X1轴方向上的作用力，M为台架端对柔性杆的附加力偶，F6为高程油缸对柔性杆的作用力，L为平行连杆的长度，L2为F6作用点与柔性杆远离质...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祚喜，宋俊文，谈婷，冯荣，黎源鸿，杨贻勇，马昆鹏，赖琪，蒙劭洋，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44