基于ANSYS Workbench的微耕機旋耕刀有限元分析*

朱留憲，楊 玲， 朱 超，武友德，楊明金

(1.四川工程職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 德陽 618000； 2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

基于ANSYS Workbench的微耕機旋耕刀有限元分析*

朱留憲1，楊 玲2， 朱 超1，武友德1，楊明金2

(1.四川工程職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 德陽 618000； 2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

以微耕機旋耕刀為研究對象，運用Pro/E軟件建立了旋耕刀的三維模型，基于ANSYS Workbench有限元分析軟件對旋耕刀進行了應力、變形、應變分析。分析結果表明：旋耕刀總變形最大處在旋耕刀的正切部，表明正切部剛度最差；旋耕刀最大應力與應變區(qū)域在刀柄與刀背連接處，與實際工作過程中旋耕刀斷裂處一致，驗證了有限元分析的可靠性，為旋耕刀的進一步優(yōu)化設計提供了理論依據。

微耕機;旋耕刀;ANSYS Workbench;有限元

1 引 言

微型耕耘機指功率不大于7.5 kW，可直接由驅動輪軸驅動旋轉工作部件，主要用于水旱田整地、田園管理及設施農業(yè)等耕耘作業(yè)的機動耕耘機。微耕機體積小、重量輕，適于在丘陵山地、小面積田塊和溫室大棚作業(yè)，在我國應用廣泛，已經成為丘陵山地提升農業(yè)機械化水平的有力工具[1]。微型耕耘機的動力最終傳遞給旋耕刀，使旋耕刀與土壤間相互作用，實現(xiàn)翻土和碎土，并消滅雜草、覆蓋殘茬以及改良土壤。旋耕刀是微型耕耘機旋耕部件最重要的組成部分。傳統(tǒng)的設計方法根據作用在刀軸上的載荷采用靜強度估算，然后通過加大安全系數(shù)的辦法來滿足強度要求，只是一種估算，憑經驗，沒有理論依據做參考，旋耕刀在耕作過程中容易折斷，從而影響刀受力和工作平穩(wěn)性。

近年來，力學分析方法、離散單元法(DEM)和有限單元法(FEM)等在土壤切削過程研究中得到了廣泛應用，應用有限單元法對旋耕刀進行分析，可在設計圖紙變成產品前對其應力、應變及變形等有充分認識，從識，了解旋耕刀的應力和變形情況，從而縮而縮短產品設計和實驗周期，節(jié)省大量費用，提高產品可靠性[3]。

2 旋耕刀模型建立

三維實體模型主要運用描點法和參數(shù)法。由于描點法建立模型迅速和準確，在三維軟件Pro/E中采用描點法建立旋耕刀三維實體模型[5]。先求取旋耕刀基本平面上各點的坐標，然后用光滑曲線把每個點連接起來，形成旋耕刀的基本曲面形狀，運用拉伸、旋轉和切割等命令，建立出旋耕刀三維實體模型[6]，如圖1所示。

圖1 旋耕刀三維模型圖

3 有限元模型的建立

ANSYS Workbench和Pro/E之間建立了無縫接口，在Pro/E中建立好旋耕旋耕刀模型后，以igs或者*x-t格式保存旋耕刀實體，在Workbench DM 模塊中導入實體，根據標準數(shù)據建立的CAD 模型，導入到ANSYS Workbench 中[7]，進行旋耕刀的網格劃分，建立旋耕刀的有限元模型。由于旋耕刀曲面復雜，對旋耕刀以四面體形式進行自由網格劃分，并控制旋耕刀網格尺寸，細化網格，以便更好地對旋耕刀進行有限元分析。

4 材料及邊界條件加載

旋耕刀材料選取65Mn鋼，密度為7.83×103kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，采用此種材料的刀片具有較高的使用壽命，且機械性能符合要求[9]。旋耕刀通過安裝孔固定在旋耕刀輥刀座上，因此在旋耕刀安裝孔處施加固定約束。旋耕刀在耕作土壤時，旋耕刀的側切刃首先接觸土壤，隨著耕深的不斷加大，過渡面刃口以及正切刃依次切削土壤，因此施加作用力的邊界條件為：分別在側切刃、過渡面刃口以及正切刃處施加垂直于刃口方向500 N的力[10]，添加總變形、應力和應變進行求解。

5 結果分析

由旋耕刀分析結果可看出：旋耕刀總變形最大處發(fā)生在離固定約束最遠處，即旋耕刀的正切部．表明正切部剛度最差，最小變形在刀柄處，如圖2所示。應力最大處發(fā)生在被約束部位安裝孔附近，即刀柄與刀背連接處，產生較大應力集中，與實際工作過程中旋耕刀斷裂處一致，驗證了仿真分析的可靠性；應力最小處在正切部，如圖3所示。彈塑性應變最大處和最小處與應力結果一致，如圖4所示。

圖2 變形分析結果 圖3 應力分析結果

圖4 應變分析結果

6 結 論

以微耕機旋耕刀為研究對象，運用Pro/E軟件建立了旋耕刀的三維模型，基于ANSYS Workbench有限元分析軟件對旋耕刀進行了應力、變形、應變分析。分析結果表明：旋耕刀總變形最大處在旋耕刀的正切部，表明正切部剛度最差；旋耕刀最大應力與應變區(qū)域在刀柄與刀背連接處，與實際工作過程中旋耕刀斷裂處一致，驗證了有限元分析的可靠性，找到了旋耕刀在工作過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為旋耕刀具的進一步優(yōu)化設計提供了理論依據。

[1] 朱留憲,楊 玲,楊明金,等.我國微型耕耘機的技術現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農機化研究,2011,33(7):236-239.

[2] 周 明,張國忠,許綺川,等.土壤直角切削的有限元仿真[J].華中農業(yè)大學學報,2009,28(4): 491-494.

[3] 姜 康,曹文鋼,于振華,等.半承載式客車車身梁體混合有限元模型分析[J].農業(yè)機械學報,2007,38(7): 189-192.

[4] GB/T 5669-2008.微耕機械刀和刀座[S].

[5] 高玉芝,王君玲,雷曉柱.基于Solidworks的旋耕刀實體建模與有限元分析[J].農業(yè)機械,2010(5):136-137.

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Finite Element Analysis of Mini-Tiller Rotary Tillage Based on ANSYS Workbench

ZHU Liu-xian1, YANG Ling2, ZHU Chao1, WU You-de1, YANG Ming-jin2

(1.DepartmentofMechanicalElectricalEngineering,SichuanEngineeringTechnicalCollege,DeyangSichuan618000,China;2.CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

Taking the rotary blade of the mini-tiller as study objects, three-dimensional model of the rotary blade has been created by means of Pro/E software, also stress，deformation and strain of the rotary blade are conducted based on finite element analysis software ANSYS Workbench. The results show that the maximum deformation occurs at the tangent part of the rotary blade，it shows that the tangent part is the poorest, and the maximum stress occurs at the conjunction of the shank and black, which is consistent with the breakpoint of the rotary blade in the process of practical work, reliability of the finite element analysis is verified. This research provides theoretical basis for the further design optimization of the rotary blade.

mini-tiller; rotary blade; ANSYS Workbench; finite element

2013-11-25

國家自然科學基金資助項目(編號：31271610)；西南大學博士基金項目(編號：SWU109006)

朱留憲(1985-)，男，山東菏澤人，助教，研究方向：機械優(yōu)化設計。

S222.3

A

1007-4414(2014)01-0088-02