基于ANSYS的破冰除雪凹盤刃口角度優(yōu)化設(shè)計(jì)①

魏鑫宇， 劉新柱， 王俊發(fā)

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

冬季我國(guó)東北、華北和西北大部分地區(qū)降雪比較頻繁，而且雪量大，在短時(shí)間內(nèi)很難迅速清除.由于這些地區(qū)晝夜溫差大，路面上未被及時(shí)清理的積雪很容易出現(xiàn)晝?nèi)谝箖龅默F(xiàn)象，再加上道路上來(lái)往車輛的反復(fù)碾壓，路面就會(huì)形成一層上表面有薄薄冰膜的壓實(shí)雪[1－2].城市路面壓實(shí)冰雪清除設(shè)備是針對(duì)這種類型的冰雪混合物研制的，其關(guān)鍵部件破冰除雪凹盤的主要功用是切碎并掀動(dòng)路面壓實(shí)的冰雪，并盡可能減少對(duì)路面的損傷.在工作過(guò)程中，破冰除雪凹盤邊緣的刃口受力較大且集中，更容易磨損變形，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和耐磨性.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，而且又費(fèi)時(shí)費(fèi)力.采用ANSYS 11.0有限元軟件可以對(duì)不同刃口角度的破冰除雪凹盤進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析，并擇優(yōu)選取凹盤的刃口角度，可以有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，降低設(shè)計(jì)成本，為破冰除雪凹盤的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 破冰除雪凹盤的阻力模型

破冰除雪凹盤在作業(yè)時(shí)受到的阻力主要為空間內(nèi)兩個(gè)非匯交的力N和R，如圖1所示.力R作用在凹盤的刃口豎直平面內(nèi)，并與水平中心線呈夾角Ψ，力R的作用線通過(guò)凹盤中心軸線后方ρ處.力N垂直刃口的豎直平面，其作用線通過(guò)凹盤刃口邊緣，距離壓實(shí)冰雪層底h≈，到凹盤豎直中心線的距離為l.因?yàn)棣押蚻的數(shù)值比較小，為了分析方便，將ρ和l設(shè)為零，可得力R經(jīng)過(guò)凹盤刃口豎直平面的中心，力N垂直作用于凹盤刃口豎直中心線上的力學(xué)模型.

圖1 凹盤的阻力模型

2 破冰除雪凹盤的的有限元受力分析

根據(jù)國(guó)家相關(guān)機(jī)具標(biāo)準(zhǔn):此類凹盤的刃口角度應(yīng)在 15 ～20°之間[3].本文采用抽樣法選取 15°，17°，18°和20°的刃口角度，對(duì)不同刃口角度的凹盤分別進(jìn)行有限元受力分析.

圖2 破冰除雪凹盤三維實(shí)體模型

圖3 刃口角度為15°的凹盤網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 刃口角度為15°的凹盤應(yīng)力云圖

2.1 創(chuàng)建有限元模型

通過(guò)三維建模軟件Pro/Engineer分別繪制凹盤刃口角度為 15°，17°，18°和 20°的破冰除雪凹盤三維實(shí)體模型，以15°刃口角為例，其三維實(shí)體模型如圖2所示.然后將這4個(gè)零件文件類型另存為IGES格式，分別導(dǎo)入到ANSYS軟件中.

圖5 刃口角度為17°的凹盤應(yīng)力云圖

圖6 刃口角度為18°的凹盤應(yīng)力云圖

圖7 刃口角度為20°的凹盤應(yīng)力云圖

圖8 刃口角度為15°的凹盤應(yīng)力詳解

2.2 劃分單元網(wǎng)格

1)單元類型:破冰除雪凹盤有一定厚度，所以，采用實(shí)體單元Solid45.Solid45類型用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，該單元有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力.

圖9 刃口角度為17°的凹盤應(yīng)力詳解

2)材料系數(shù):破冰除雪凹盤材料采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼65Mn，該材料的密度是7850kg/m3，彈性模量是1.96 ×105MPa，泊松比是 0.3.為了研究凹盤刃口的強(qiáng)度特性，分析在工作載荷下所受的應(yīng)力，將模型簡(jiǎn)化，忽略了一些圓角.

3)劃分網(wǎng)格:由于破冰除雪凹盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且形狀不規(guī)則，采用自適應(yīng)控制自由網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格[4].完成劃分的模型以15°刃口角為例(如圖3所示).

2.3 施加載荷和約束并求解

通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)并根據(jù)材料屬性進(jìn)行基本的理論計(jì)算[5]，可知凹盤刃口的最大壓力載荷為490Pa.在施加壓力載荷選項(xiàng)下，拾取凹盤底部刃口處由劃分網(wǎng)格自然形成的相鄰8個(gè)節(jié)點(diǎn)，并輸入壓力載荷常量490Pa.

為了簡(jiǎn)化凹盤刃口的強(qiáng)度特性分析，減少其他次要約束對(duì)分析的干擾，只在凹盤軸孔處設(shè)置約束所有自由度.

運(yùn)行Solution→Solve→Current LS，進(jìn)行凹盤的靜結(jié)構(gòu)有限元分析.

3 分析結(jié)果

在ANSYS軟件后處理器查看結(jié)果的選項(xiàng)中選擇顯示最大主應(yīng)力云圖，得到4種不同刃口角度的凹盤應(yīng)力云圖，如圖4至圖7所示.

通過(guò)ANSYS軟件后處理器中顯示結(jié)果選項(xiàng)的顯示最大主應(yīng)力云圖，得出4種不同凹盤刃口角度所受的應(yīng)力詳解表格，如圖8至圖11所示.

根據(jù)圖8至圖11整理出4種不同凹盤刃口角度的應(yīng)力最大值，如表1所示.

表1 破冰除雪凹盤應(yīng)力最大值

從表1中可以看出，相同受力條件下凹盤刃口角度為20°的破冰除雪凹盤所受的最大應(yīng)力比較小，故選取20°作為凹盤的刃口角度.

圖10 刃口角度為18°的凹盤應(yīng)力詳解

圖11 刃口角度為20°的凹盤應(yīng)力詳解

4 結(jié)論

(1)建立了破冰除雪凹盤的阻力模型，分析了凹盤在工作過(guò)程中的受力狀態(tài)，為凹盤進(jìn)行有限元分析施加載荷提供了依據(jù).

(2)通過(guò)創(chuàng)建破冰除雪凹盤有限元模型，分析應(yīng)力云圖和應(yīng)力詳解，得出凹盤所受的應(yīng)力最大值并進(jìn)行比較，擇優(yōu)選取了20°的刃口角度，為破冰除雪凹盤的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

[1]鄧洪超，馬文星，荊寶德.道路冰雪清除技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].工程機(jī)械，2005(12):41－44.

[2]Richard D，Embry，Indianapolis.Snow Removal Divice[P].US20090249658A1，2009.10.

[3]佚名.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007:261－276.

[4]初旭宏，王俊發(fā)，邱聰雨.基于ANSYS的深耕挖掘犁刀強(qiáng)度分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，7(4):545－546.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.