覆膜控溫移動苗床吊噴管件有限元分析與研究

武漢市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 盧澤民 杜錚

中國長江動力集團(tuán)有限公司 王敏

覆膜控溫移動苗床吊噴管件有限元分析與研究

武漢市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 盧澤民 杜錚

中國長江動力集團(tuán)有限公司 王敏

覆膜控溫移動苗床的吊噴管件，相對于其材料厚度尺寸而言，屬于大跨度柔性結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除考慮強(qiáng)度因素外，重點要校核結(jié)構(gòu)的剛度。本文利用ansys有限元分析方法，對移動苗床的吊噴管件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了受力狀態(tài)下管件的應(yīng)力和變形，并通過實測試驗對其剛度進(jìn)行了比較和分析，保證了使用的安全性和可靠性。

吊噴管件；ansys；應(yīng)力；變形

0 引言

一種覆膜控溫移動苗床，是基于移動苗床的溫室“小環(huán)境”育苗解決方案，即通過移動苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統(tǒng)，建立苗床及作物的獨(dú)立加熱保溫小環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能降耗；進(jìn)一步利用苗床覆膜機(jī)自動完成塑料薄膜的覆蓋、卷收功能，解放勞動力、提高作業(yè)效率。但在封閉“小環(huán)境”拱棚裝置中進(jìn)行育苗的同時，由于拱棚結(jié)構(gòu)上端的卷膜和支架遮擋，無法使用溫室原有的自動噴灌系統(tǒng)進(jìn)行降溫加濕灌溉；利用人工灌溉進(jìn)行降溫和加濕，用工成本過高、勞動強(qiáng)度過大，且灌溉不均勻。

為了克服現(xiàn)有的技術(shù)不足，本文提出了一種覆膜控制移動苗床吊噴灌溉系統(tǒng)。在移動苗床內(nèi)，即拱棚裝置中吊裝灌溉專用毛管和微噴霧化噴頭。由于灌溉專用毛管采用PE軟管，下面擺放穴盤育苗不能加筋固定，故需要管件與PE軟管進(jìn)行連接加固。管件兩端固定間距一般為4m，相對于其材料厚度尺寸而言，屬于大跨度柔性結(jié)構(gòu)，且管件受到載荷的影響，因此需要分析其強(qiáng)度和剛度，驗算使用的安全性和可靠性[1]。

1 吊噴管件的設(shè)計

覆膜控溫移動苗床主要由覆膜和控溫2部分組成，覆膜部分通過管狀電機(jī)的正反轉(zhuǎn)對雙層塑料薄膜進(jìn)行卷膜和覆膜，控溫部分通過電熱膜的加熱對苗床進(jìn)行加熱。當(dāng)雙層塑料薄膜覆蓋在苗床拱狀支架時，形成一封閉溫室“小環(huán)境”，通過電熱膜加熱保溫，可以進(jìn)行育苗，如圖1所示。

移動苗床覆膜部分由一片片支架組裝而成，每片支架間隔4m，支架上安裝有擋板，PE軟管通過擋板橫穿移動苗床，在PE軟管上安插微噴霧化噴頭，形成灌溉專用管網(wǎng)。由于PE軟管輕軟，間距大，PE軟管自重、微噴霧化噴頭的重量以及灌溉后管道內(nèi)充水，會對PE軟管受力和變形產(chǎn)生很大的影響，故需要采用管件進(jìn)行連接加固。管件和PE軟管一樣，沿支架擋板橫穿移動苗床，與軟管固定連接，承受微噴霧化噴頭的重量、PE軟管自重和灌溉后管道內(nèi)充水重量以及管件自重的載荷。由于管件長度和安裝的限制，管件采用和支架等距的間距，4m一段，固定在擋板上，如圖2所示。

圖1 覆膜控溫移動苗床實物圖

圖2 覆膜控溫移動苗床結(jié)構(gòu)示意圖

2 吊噴管件的分析與研究

2.1 吊噴管件的選擇

由于移動苗床支架結(jié)構(gòu)間距4m，管件安裝在支架擋板上，管件也采用4m一段。覆膜控溫移動苗床成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、拆卸便捷、可靠耐用，美觀輕便[2]，符合輕量化設(shè)計，故管件厚度不宜太厚，采用1.5mm。同樣截面，方管的抗彎扭能力優(yōu)于圓管，選擇方管為宜。方管和PE軟管固定連接，PE軟管為外徑20的圓管，宜采用20的方管。綜上所述選擇管件的截面尺寸為方管20×20×1.5（mm），長度為4m。

2.2 有限元模型建立

通常，在整個有限元分析求解過程中，最重要的環(huán)節(jié)是有限元模型的建立。一般包括選擇單元類型，根據(jù)單元類型選擇定義實常數(shù)或者截面類型，定義材料屬性、幾何建模、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷[3]等。

管件承受靜力結(jié)構(gòu)載荷，選擇三維結(jié)構(gòu)梁單元beam189[4]，管件為方管，在梁工具欄中選擇方管截面形式，并設(shè)計好截面尺寸。管件材料為Q235，從材料手冊中查得其彈性模量E=200GPa，泊松比=0.3，材料密度為7800kg/m3。因為吊噴管件結(jié)構(gòu)形式較為簡單，一般ansys有限元軟件所提供的幾何建模工具便能完成。網(wǎng)格劃分時，單元的多少影響運(yùn)算速度和結(jié)果精度，針對beam189單元，管件長為4m，控制劃分的精度，使用Smartsize進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，模型共劃分為201個節(jié)點，100個單元，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.3有限元的求解和分析

各種物理場自由度約束，經(jīng)常定義為零或者非零值，自由度約束為零時表示固定約束，約束為非零時表示該自由度具有一定的強(qiáng)制自由度約束。在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)自由度是指UX、UY、UZ、ROTX、ROTY和ROTZ6個自由度。管件與支架擋板固定，自由度約束為零，在管件兩端節(jié)點上約束6個自由度，即ALLDOF，如圖4所示。

圖4 添加約束

對管件施加載荷，承受微噴霧化噴頭的重量、PE軟管自重和灌溉后管道內(nèi)充水重量以及管件自重的3部分載荷組成。微噴霧化噴頭共5件，相當(dāng)于集中力載荷加載在管件5點處；PE軟管自重和灌溉后管道內(nèi)充水重量則相當(dāng)于均布載荷加載在整個管件上；管件自重通過ansys軟件中自帶的重力 Gravity選項加載設(shè)置。荷載加載完成后，如圖5所示。

圖5 施加載荷

執(zhí)行求解，在ansys中選擇靜力學(xué)分析static選項，進(jìn)行靜力學(xué)分析，經(jīng)過snsys分析計算[5]，最后，得到管件的等效變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖6和7所示。

圖6 等效變形云圖

圖7 等效應(yīng)力云圖

從圖6等效變形云圖中可以得出，管件在中點處變形最大，最大等效變形為31.4mm，小于設(shè)計變形量[]=40m m。從圖7等效應(yīng)力云圖中可以得出，管件在兩端應(yīng)力最大，最大等效應(yīng)力為 126MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力[]=235MPa。從圖中分析可得，當(dāng)?shù)鯂姽芗惺茌d荷和自重時，管件變形和應(yīng)力在設(shè)計的工作剛度和強(qiáng)度范圍內(nèi)，保證了使用的安全性和可靠性。

3 吊噴管件的變形實測試驗

從上述有限云分析結(jié)果可得，吊噴管件所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于管件許用應(yīng)力，且大跨度柔性構(gòu)件（細(xì)長桿）剛度變形影響更大，因此本試驗主要實測管件實際工作時的變形效果。本文對覆膜控溫移動苗床吊噴管件進(jìn)行試驗地點為武漢市黃陂區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所武湖基地連棟溫室內(nèi)，通過實測的數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對照如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對照表

經(jīng)試驗，實測數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)均小于設(shè)計變形量，各數(shù)據(jù)試驗最大誤差均不超過7%，且實測最大變形都比有限元分析的結(jié)果偏小，說明有限元結(jié)果偏保守，更安全和可靠。

4 結(jié)束語

運(yùn)用ansys有限元分析方法，對移動苗床的吊噴管件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了受力狀態(tài)下管件的應(yīng)力和變形，并通過實測試驗對剛度進(jìn)行了比較，分析和試驗結(jié)果表明，吊噴管件強(qiáng)度和剛度能滿足使用和設(shè)計要求，保證了其安全性和可靠性。

[1]方勇.基于AYSYS的可調(diào)吊梁設(shè)計[J].機(jī)械制造，2014，52(594):36-37.

[2]王銳，廖劍，萬勇，宋少云.移動苗床用自動卷覆膜機(jī)的設(shè)計[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015，36(1):136-138.

[3]尚曉江，邱峰，趙海峰等.AYSY結(jié)構(gòu)有限元分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4]博弈創(chuàng)作室．ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[5]徐浩．基于有限元的大型摩擦焊機(jī)主軸箱優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013(3):114-116.

2015-09-03）