喷杆式喷雾机作为大田病虫害防治中应用最普遍的植保机具,需要具有良好的动力学性能来保证施药作业的稳定性以及喷洒的均匀性。目前我国的喷杆喷雾机行驶在田间凹凸不平的地面时,容易受到外部激励的影响,导致喷雾机的机身受到振动,进而传递给喷杆,引起喷杆的振动,导致作业效率下降。因此,提高喷杆的动力学性能、减轻喷杆的振动是提高施药质量和雾滴分布均匀性的关键。本文以某五段式喷杆喷雾机作为研究对象,针对喷杆结构动力学特性的设计缺陷,研究喷杆展开状态下的动力学性能。然后利用结构优化方法对喷杆结构进行拓扑优化和尺寸优化,设计出一个满足刚强度要求的轻量化柔性桁架式喷杆,并对优化后的喷杆结构进行随机振动仿真模拟,验证了喷杆的减振效果。本研究为多段式喷杆的动力学特性研究与结构优化提供理论依据。具体展开的研究工作如下:(1)多段式喷杆初始结构的动力学性能研究。在三维软件中建立该五段式喷杆的初始几何模型,将模型导入到ANSYS Workbench中利用有限元模态分析法分别求解出该喷杆整体以及喷杆右侧各段的前6阶固有频率和模态振型。结果显示各段喷杆第一阶固有频率均在1~7Hz的范围内,其中整机喷杆的第一阶固有频率为2.3Hz,与激振源的频率区间接近,喷杆容易发生共振。(2)多段式喷杆结构的模态试验。用行车牵引,喷杆与弹簧三角悬挂,采用锤击法对该喷杆进行模态测试试验,对比测试结果和有限元模态分析结果发现,喷杆前8阶共振频率差均在10%以下,各阶振型所对应的模态置信准则都在0.8以上,验证了理论分析的可靠性。(3)多段式喷杆初始结构的拓扑优化设计。以材料的畸变能密度为优化目标,在ABAQUS中利用变密度法对喷杆结构进行拓扑优化设计。按照喷杆的初始结构和实际工况,初步设定喷杆大致的初始设计空间,建立喷杆的可设计域,获得同时符合刚度和振动频率条件的喷杆拓扑结构,基于此结构,对喷杆进行改进设计,得到材料分布合理的桁架结构。(4)多段式喷杆桁架系统的尺寸优化设计。在确定喷杆结构的内部材料分布之后,对喷杆桁架结构进行尺寸优化。以喷杆结构的质量为优化目标,结构的一阶固有频率为约束响应,对喷杆桁架的截面尺寸进行优化,在保证喷杆刚度变化不大的前提下,得到喷杆各桁架厚度减小、总体质量减轻的轻量柔性桁架式喷杆。在此基础上对优化后的喷杆结构进行动力学分析,结果显示在该五段式喷杆的质量减少16.3%的情况下,喷杆的一阶固有频率提高到7.39Hz(增加了4.93Hz),有效的避开了频率共振区间,减轻了喷杆的振动。(5)优化后喷杆桁架的随机振动仿真分析。基于对初始喷杆结构的拓扑优化和尺寸优化,得到了材料分布和桁架尺寸较为合理的新喷杆结构。在此基础上,对喷杆结构进行振动位移测试。结果显示优化前振动响应点在Y方向的最大位移响应量在200mm范围内,优化后喷杆的振动位移响应量处于100mm范围内,喷杆的减振达到了良好的效果,证明了仿真分析的合理性,验证了喷杆的优化效果和新喷杆结构的动力学性能。