基于ANSYS的振動式深松耕作業(yè)機(jī)的有限元分析

黃 偉，楊龍寶，楊 軍

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

基于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，本文闡述了振動式深松耕作業(yè)機(jī)的工作原理。目前振動式深松耕作業(yè)機(jī)的研究大部分都是通過經(jīng)驗(yàn)結(jié)論而不是通過科學(xué)的計(jì)算進(jìn)行的；各個零件的尺寸也都是通過類比或經(jīng)驗(yàn)得出，采用這種傳統(tǒng)的方法具有一定的盲目性和局限性。因此，我們需要引進(jìn)更為先進(jìn)合理的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)出的振動式深松耕作業(yè)機(jī)更加科學(xué)和合理，為以后振動式深耕作業(yè)機(jī)的生產(chǎn)和制造提供更加有效的參考[1~2]。而有限元方法就是針對上述缺陷而提出的先進(jìn)有效的設(shè)計(jì)方法。本文主要利用有限元理論結(jié)合ANSYS軟件，對振動式深松耕作業(yè)機(jī)的主要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證其剛度和強(qiáng)度。此方法對提高振動式深松耕作業(yè)機(jī)的壽命、加工精度和降低成本具有重要的指導(dǎo)意義。

1 振動式深松耕作業(yè)機(jī)

如圖1所示,振動式深松耕作業(yè)機(jī)主要由1懸掛、5機(jī)架、7緩沖裝置、6振動部件、3深松部件、1限深輪和4中耕部件等組成，深松部件由2過載安全器及3深松鏟構(gòu)成。

圖1 振動式深松耕作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

深松部件置于機(jī)架中呈對稱式分布。深松鏟鏟尖為弧形狀，其橫行距離為140 cm，鏟頭為槽形狀。中耕部件配置于中間和相應(yīng)深松部件的后部，與機(jī)架相連。限深輪位于機(jī)架的后側(cè)。振動部件是振動式深松耕作業(yè)機(jī)的重要組成部分，在工作中起到激勵振動的作用。其構(gòu)成裝置為偏心塊齒輪結(jié)構(gòu)。振動式深松耕作業(yè)機(jī)工作時，動力由主動軸輸入，經(jīng)齒輪傳動的減速增扭作用下驅(qū)動從動輪轉(zhuǎn)動，從而使偏心塊周期性擺動，進(jìn)而激發(fā)整個機(jī)構(gòu)的振動。

2 提升機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析

該振動式深松耕作機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式提升機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 提升機(jī)構(gòu)簡圖

其中，ABCH為三點(diǎn)懸掛四桿機(jī)構(gòu)，AFJD為液壓四桿提升機(jī)構(gòu)，K為懸掛機(jī)構(gòu)的重心，B點(diǎn)為下懸掛點(diǎn)，AB桿為拖拉機(jī)下拉桿，CH為拖拉機(jī)中央拉桿，JF為液壓缸[3~4]。

對B點(diǎn)取距則有：

其中，

M為下拉桿右端點(diǎn)到中心拉桿的距離；

G為機(jī)構(gòu)所受重力；

B為重心到下懸掛點(diǎn)的距離BK。

同樣對A點(diǎn)取距得：

其中：

H為下拉桿左端點(diǎn)到中心拉桿的距離；

T為液壓缸提升力；

N為下拉桿左端點(diǎn)到液壓缸桿的距離；

a為下懸掛點(diǎn)至下拉桿固定鉸鏈點(diǎn)的水平距離。

若兩種情形等效，則桿JF對AB桿的作用力也為T。以AB桿為研究對象，對A點(diǎn)取矩，則有

其中，Q為換算到下懸掛點(diǎn)的提升力，由上三式得：

3 關(guān)鍵零部件的有限元分析

3.1 深松鏟鏟柱的有限元分析

（1）設(shè)定材料特性

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù),深松鏟鏟柱的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服極限為σs=355 MPa。

（2）單元選擇

單元格的類型選擇SOLID92三維實(shí)體單元，此單元有十個節(jié)點(diǎn)，可塑性、蠕動、膨脹、應(yīng)力鋼化，具有大變形和大張力的能力[5]。

（3）網(wǎng)格劃分

采用ANSYS中的智能劃分網(wǎng)格方法，精度取6級[6]。

（4）有限元模型的建立

經(jīng)智能網(wǎng)格劃分后深松鏟鏟柱的有限元模型如圖3所示：節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為6 790，單元數(shù)目為1 096。

圖3 深松鏟鏟柱的有限元模型

（5）有限元計(jì)算結(jié)果與分析

經(jīng)有限元計(jì)算得深松鏟鏟柱的變形云圖如圖4所示。

圖4 深松鏟鏟柱的變形云圖

經(jīng)有限元分析得：切削刀片的最大變形為0.864×10-5m，發(fā)生在鏟尖處。

經(jīng)有限元計(jì)算得深松鏟鏟柱的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 深松鏟鏟柱的應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元分析得：切削刀片的最大應(yīng)力為762.2 Mpa，發(fā)生在被固定孔和下方兩孔的兩側(cè)。

經(jīng)有限元計(jì)算得深松鏟鏟柱的應(yīng)變云圖如圖6所示。

圖6 深松鏟鏟柱的應(yīng)變云圖

經(jīng)有限元分析得：切削刀片的最大應(yīng)變?yōu)?.364×10-8MPa。

3.2 深松鏟的有限元分析

在ANSYS軟件中，分別建立深松鏟鏟柱和鏟頭的有限元模型，在ANSYS中將其裝配在一起，以達(dá)到模擬真實(shí)狀態(tài)的目的。

（1）設(shè)定材料特性

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)深松鏟鏟柱和鏟頭的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服極限為σs=355 MPa。

（2）單元選擇

單元格的類型選擇SOLID92三維實(shí)體單元，此單元有十個節(jié)點(diǎn)，可塑性、蠕動、膨脹、應(yīng)力鋼化，具有大變形和大張力的特點(diǎn)。

（3）網(wǎng)格劃分

采用ANSYS中的智能劃分網(wǎng)格方法，精度取6級。

（4）有限元模型的建立

經(jīng)智能網(wǎng)格劃分后深松鏟的有限元模型如圖7所示。

圖7 深松鏟的有限元模型

（5）有限元計(jì)算結(jié)果與分析

經(jīng)有限元計(jì)算得動刀片的應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 深松鏟的的變形云圖

經(jīng)有限元分析得：深松鏟的的最大變形為0.935×10-5m，最大變形處發(fā)生在鏟尖處。

經(jīng)有限元計(jì)算得動刀片的應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 深松鏟的的應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元分析得：深松鏟的的最大應(yīng)力為775.9 Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在孔的周圍。

經(jīng)有限元計(jì)算得動刀片的應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 深松鏟的的應(yīng)變云圖

經(jīng)有限元分析得：深松鏟的的最大應(yīng)變?yōu)?.347×10-8MPa，最大應(yīng)變發(fā)生在孔的周圍。

4 結(jié)束語

（1）通過上述的有限元分析，振動式深松耕作業(yè)機(jī)的主要零件最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度條件。

（2）通過上述的有限元分析，振動式深松耕作業(yè)機(jī)的主要零件滿足剛度要求。

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[3]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)（I）[M]：第六版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M]：第八版.北京：高等教育出版社，2005.

[5]張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析：第二版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]宋天霞.有限元理論及應(yīng)用基礎(chǔ)教[M].武漢:華中工學(xué)院出版社，1987.