喷杆式喷雾机是大田作业中应用最广泛的植保机具,宽幅型喷杆式喷雾机对提高施药效率、减少作业过程中的农作物损害具有积极作用。喷杆式喷雾机田间施药过程中,由行驶路面起伏所产生的外部激励会导致喷杆结构产生振动响应,从而影响雾滴沉积均匀性,缩短喷杆使用寿命。喷杆的结构动力学性能,是抑制喷杆振动响应,提高作业过程中药液喷洒均匀性的关键。针对喷雾机喷杆结构动力学特性初始设计缺陷,提出了一种基于遗传算法的多变量优化设计方法。通过有限单元法分析喷雾机喷杆结构的动力学特性,依据结构优化设计理论搭建优化问题的数学模型,以喷杆结构形状及杆件截面尺寸为变量参数,优化设计出一种动力学性能优越的喷杆结构,并进行试验验证及性能测试。主要开展的研究工作有:(1)从理论上分析了结构动力学优化设计的基本思路,结合喷雾机喷杆结构的杆系构型特点,确立了喷杆结构动力学特性的优化设计方法及实施方案。(2)基于MATLAB数值计算平台,编写了等截面均质自由杆件的结构动力学特性计算程序,采用ISIGHT多学科集成平台求解样本空间中各杆件的结构动力学特性,依据结果绘制各参数因子与一阶固有频率的关系曲线,分析了喷杆结构杆件各截面参数对其动力学特性的影响规律。(3)基于ABAQUS有限元分析平台,建立了以平面十八杆桁架单元为基础构型的单侧喷杆参数化有限元模型,将结构模型的各节点坐标值和杆件截面尺寸定义为参数化变量,并分析其结构动力学特性。为避免优化算法因各变量量级差异导致收敛失败,采用统一设计变量法,将各类设计变量统一映射到相同数值区间,以获得等量级的无量纲设计变量。(4)基于ISIGHT多学科多目标集成优化平台,提取了喷杆参数化模型的设计变量组,将喷杆结构的质量定义为目标函数,结构的一阶固有频率定义为约束函数,使用多岛遗传优化算法(MIGA algorithm,genetic island-multi),对喷杆桁架的结构形状及杆件截面尺寸进行优化,得到了一阶固有频率为10.87 Hz,质量为35.82 kg,幅宽为5 m的单侧喷杆结构模型。(5)为了确保结构数值模型在工程应用中的可靠性,采用模态测试技术对喷杆结构参数化数值模型展开了可靠性验证。根据加工工艺对优化后模型的结构参数进行圆整,并制造出喷杆样品。为了使实体模型与数值模型保持一致,将喷杆水平固定在混凝土立柱上形成悬臂结构,采用单点敲击、多点采集法(single-input multiple-output,SIMO)提取喷杆结构实体的模态信息。计算显示,喷杆结构的前6阶实体测试模态与数值计算模态的频率误差率均小于10%,相同阶次模态信息对应振型的模态置信度值(model assurance criterion,MAC)均大于0.85,均符合实际工程参考要求。(6)为了验证喷杆结构优化结果,在ABAQUS平台中构建喷杆式喷雾机的刚柔混合整机模型,并结合作业激励进行随机振动仿真。考虑到喷雾机输药管路一般采用软管铺设,对喷杆结构特性影响很小,将模型中管路及喷头以均匀布置的等效质量点替代。通过将位移功率谱密度(PSDdensity spectrumpower,)函数作为振动输入激励,仿真喷雾机在D级路面以12 km/h的速度行驶时,喷杆结构随机振动的响应情况。根据随机振动仿真结果分析,优化前、后喷杆模型末梢节点的最大位移响应分别为7.9 mm和9.5 mm,响应量相差不到2 mm且均在10 mm范围内。优化后喷杆在质量减少48.43%的情况下其竖直方向的随机振动位移响应量没有明显增加。