基于ANSYS的模擬刀輥優(yōu)化設(shè)計(jì)

張明秋

(黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，黑龍江雞西158100)

基于ANSYS的模擬刀輥優(yōu)化設(shè)計(jì)

張明秋

(黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，黑龍江雞西158100)

還田機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，還田工作部件十分重要。試運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)還田機(jī)刀輥進(jìn)行模擬分析，在強(qiáng)度、剛度和固有頻率達(dá)到滿足的約束條件下，優(yōu)化刀輥結(jié)構(gòu)，減輕刀輥質(zhì)量。

模擬刀輥;優(yōu)化設(shè)計(jì);ANSYS

還田機(jī)作業(yè)具有還田率高、碎土能力強(qiáng)、覆蓋效果較好的優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)具工作時(shí)，由于其工作部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，導(dǎo)致機(jī)具存在功率消耗大，運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)。在滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求的前提下，優(yōu)化秸稈還田機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低使用工作損耗和運(yùn)行成本，是機(jī)具推廣首先要解決的問(wèn)題。因此，研究還田機(jī)工作部件的動(dòng)力特性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定實(shí)際意義。運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)還田機(jī)刀輥進(jìn)行模擬，在強(qiáng)度、剛度和固有頻率達(dá)到滿足的約束條件下，優(yōu)化還田機(jī)工作刀輥的結(jié)構(gòu)，以便減低機(jī)具功耗。

1 仿真軟件——ANSYS

ANSYS是工程技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)用性最強(qiáng)，應(yīng)用最為廣泛的通用有限元分析軟件。在短短50多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械等許多領(lǐng)域，有限元精度高、適應(yīng)性強(qiáng)，計(jì)算機(jī)格式規(guī)范為其主要特點(diǎn)。ANSYS分析過(guò)程，如圖1所示。

圖1 ANSYS分析過(guò)程流程圖

2 刀輥有限元建模

2．1幾何模型構(gòu)建。

還田機(jī)使用過(guò)程中，刀輥在土壤中工作，受力情況極為復(fù)雜，其主要工作狀態(tài)是將收獲后留在田間的秸稈深埋到土壤中，對(duì)土壤還要做到深松。為防止刀輥部件在工作時(shí)纏繞秸稈，故將還田機(jī)刀輥設(shè)計(jì)成大直徑的旋轉(zhuǎn)滾筒型，同時(shí)，為保證還田時(shí)的工作質(zhì)量，將刀輥旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)為反向(與機(jī)具前進(jìn)方向相反)。刀輥系統(tǒng)如圖2所示。為解決機(jī)具在使用過(guò)程中功率消耗過(guò)大問(wèn)題，設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室土槽內(nèi)模擬機(jī)具田間工作狀態(tài)，考慮到工作條件的限制，實(shí)驗(yàn)還田機(jī)采用邊減速器提供動(dòng)力，工作幅寬為1．0m，刀輥直徑為300mm，壁厚5mm。

圖2 刀輥結(jié)構(gòu)示意圖

2．2分析模型建立。

根據(jù)機(jī)具工作狀態(tài)、還田工作原理及ANSYS分析原

理，在實(shí)際分析中，將刀輥的結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行簡(jiǎn)化。為了使分析更接近實(shí)際情況，采用結(jié)構(gòu)靜力分析的方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定不變載荷作用下效應(yīng)。刀輥受力采用為刀輥所受的摩擦力以均布載荷型方式加載于刀輥正面;徑向力加載于刀輥的一側(cè)上。由于刀輥結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，在有限元單元網(wǎng)格劃分上，采用手工劃分方式。軟件分析結(jié)果以彩色云圖、矢量圖和列表來(lái)顯示。

3 數(shù)學(xué)模型分析

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，機(jī)具存在功率消耗過(guò)大的情況，分析其產(chǎn)生的主要原因?yàn)闄C(jī)具旋轉(zhuǎn)方向和質(zhì)量。經(jīng)試驗(yàn)，將刀輥工作方式分為反向旋轉(zhuǎn)與正向旋轉(zhuǎn)相比較，反轉(zhuǎn)時(shí)其機(jī)具工作質(zhì)量較高。故減小機(jī)具質(zhì)量成為降低機(jī)具使用功耗的辦法之一。從結(jié)構(gòu)及受力的角度，建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化機(jī)具參數(shù)，降低機(jī)具質(zhì)量，尋找最優(yōu)機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，包括三個(gè)要素，分別為設(shè)計(jì)變量X、目標(biāo)函數(shù)f(x)、約束條件(gv(x)≤0，hu (x)=0)，表達(dá)方式如下:

式中，D為設(shè)計(jì)變量，X為歐氏空間、En中的取值范圍，稱為可行域?！皊··t”為約束條件。

3．1載荷設(shè)計(jì)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，刀輥一端部(無(wú)動(dòng)力輸入一側(cè))磨損較為嚴(yán)重，考慮到工作方式(刀輥一端動(dòng)力輸入)及刀輥的約束方式，設(shè)計(jì)其受力變形方式為橫向載荷作用下的彎曲變形，故在刀輥端部設(shè)定一定范圍的分布載荷p=3145586N/m2。

3．2模型參數(shù)。

工作部件刀輥的質(zhì)量取決于刀輥直徑φ、刀輥壁厚t和刀輥長(zhǎng)度L的大小。機(jī)具的原始數(shù)值φ=300mm，t=5mm，L =1000mm，取設(shè)計(jì)變量。刀輥質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。在彎曲變形條件下約束條件(剛度條件、彎曲強(qiáng)度、一階固頻)，限定刀輥一端部(無(wú)動(dòng)力輸入一側(cè))的外伸端點(diǎn)處的最大位移不大于0．10mm;根據(jù)結(jié)構(gòu)材料及受力特點(diǎn)，限定刀輥的最大彎曲應(yīng)力不大于200Mpa;根據(jù)工作方式，限定刀輥在工作中一階固有頻率不小于900Hz。

4 刀輥優(yōu)化步驟

刀輥GUI分析過(guò)程如下:第一步:指定分析標(biāo)題并設(shè)置分析范疇，指定文件名為“Static analysis of cutter shaft”，設(shè)置分析范疇為Structural，結(jié)構(gòu)分析。第二步:定義單元類型。在進(jìn)行有限元分析前，首先應(yīng)根據(jù)此次分析的幾何結(jié)構(gòu)、分析類型和分析問(wèn)題的精度要求等，選定單元類型。本次分析中選擇類型為“Quad 4node 42”和“Brick 8node 45”。第三步:定義材料屬性。材料為45鋼，其許用彎曲應(yīng)力［σw］=120MPa，密度ρ=7．8×103Kg/m3，彈性模量E=2× 105MPa，根據(jù)加工精度的要求，刀輥許用撓度［f］=0．5mm。第四步:在給定的位置生成關(guān)鍵點(diǎn)，在激活坐標(biāo)系中創(chuàng)建，如表1所示的關(guān)鍵點(diǎn)。第五步:在關(guān)鍵點(diǎn)間生成直線。第六步:生成截面，將面旋轉(zhuǎn)成體，如圖3所示。第七步:設(shè)置線被劃分的段數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用手工劃分，共劃分網(wǎng)格48513個(gè)。這樣可以使扇形單元近似于SOLID45，單元規(guī)則，同時(shí)限制了單元的個(gè)數(shù)，從而提高計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和計(jì)算精度。第八步:將帶網(wǎng)格的面旋轉(zhuǎn)成帶網(wǎng)格的體，如圖4所示。第九步:對(duì)模型施加約束。第十步:加載，如圖5所示。第十一步:運(yùn)算求解。第十二步:后處理。

表1 刀輥關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值(m)

圖3 刀輥優(yōu)化生成旋轉(zhuǎn)體

圖4 刀輥優(yōu)化網(wǎng)格劃分

圖5 刀輥優(yōu)化模擬加載

5 結(jié)果分析

本分析關(guān)心的只是刀輥各部分結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足彎曲變形條件下約束條件(剛度條件、彎曲強(qiáng)度、一階固頻)下，刀輥質(zhì)量(目標(biāo)函數(shù))達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將優(yōu)化后與優(yōu)化前進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 優(yōu)化后與優(yōu)化前比較

通過(guò)ANSYS分析優(yōu)化后，在滿足刀輥強(qiáng)度、剛度和固有頻率的條件下，刀輥整體結(jié)構(gòu)變長(zhǎng)，重量減小192Kg，減重率達(dá)20．19%，減重效果明顯。

［1］廖伯瑜，周新民，尹志宏．現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用——建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:475—533．

［2］范文沖，尹志宏，殷增振．基于ANSYS的模擬刀桿優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．精密制造與自動(dòng)化，2005(2)．

［3］王金武，張明秋，葛宜元．水稻整株秸稈還田機(jī)功耗影響試驗(yàn)［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(5)．

ptimized Design of Simulated Rotary Drum Based on ANSYS

Zhang Mingqiu
(Department of Mechanical Engineering，Heilongjiang University of Technology，Jixi，Heilongjiang 158100，China)

It is very important to choose returning machine rotary drum．By employing ANSYS，the structural static force and modal analysis about one kind of rotary drum is performed in this paper．Furthermore，the paper gives the optimized design about some dimensions of the simulated rotary drum with optimized objective of mini－mum weight subjected to strength，stiffness and natural frequency requirement．

simulated rotary drum;optimized design;ANSYS

TG711

A

1672－6758(2015)05－0034－3

(責(zé)任編輯:宋瑞斌)

張明秋，碩士，講師，黑龍江工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系。

Class No．:TG711 Document Mark:A