山地烤煙拔桿機(jī)刀具有限元分析及試驗(yàn)

羅建欽，劉祖國(guó)，吳 峰，張大斌，盧 澤，余朝靜

(1.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530001；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)，550025)

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山地烤煙拔桿機(jī)刀具有限元分析及試驗(yàn)

羅建欽1，劉祖國(guó)2，吳 峰1，張大斌2，盧 澤2，余朝靜2

(1.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530001；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)，550025)

為了獲得具有高效、優(yōu)良拔桿刀的設(shè)計(jì)方案,以小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀為研究對(duì)象，在UG(Unigraphics)中創(chuàng)建拔桿刀具的三維模型，根據(jù)Design Explorer模塊中的對(duì)物體靜力分析的理論，對(duì)拔桿刀進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)Design Explorer后處理的敏感性和輸入?yún)?shù)的響應(yīng)來(lái)確定優(yōu)化方案，以達(dá)到降低刀具所受應(yīng)力。分析的響應(yīng)曲面結(jié)果表明：將刀的厚度和長(zhǎng)度分別改為490 mm和7.3 mm，可使刀所受到的力降低10%，且田間試驗(yàn)證明效率提高了5%～8%。

山地烤煙拔桿機(jī)；刀具；優(yōu)化；有限元模態(tài)分析

小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀是拔桿機(jī)的關(guān)鍵零部件，一般要求其刀具具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的剛度。近年來(lái)，不少學(xué)者都熱衷于利用有限元來(lái)分析和改進(jìn)結(jié)構(gòu)[1-2]，如權(quán)龍哲等[3]利用有限元理論建立了玉米根茬在切割過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到了最優(yōu)滑切角和物料摩擦角間的函數(shù)關(guān)系式；張松等[4]利用參數(shù)有限元法分析了刀具的力學(xué)性能，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)周期；施昱等[5]利用ANSYS 中的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型(Design Explorer)對(duì)刀具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了刀具在工作過(guò)程所受的應(yīng)力。本文基于前人的設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，對(duì)小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析了刀具的厚度、大小，并以此作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，計(jì)算出刀的外形尺寸，根據(jù)靈敏度和響應(yīng)曲面來(lái)確定設(shè)計(jì)方案，得到了一個(gè)高效率的拔桿刀具。

1 小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))是ANSYS Workbench中的一個(gè)快速優(yōu)化工具，它主要是通過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)，即可以增加設(shè)計(jì)點(diǎn)的參數(shù)，得到不同的輸出和導(dǎo)出參數(shù)[6]，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)需要設(shè)計(jì)的點(diǎn)是有限的，這里選取有限個(gè)點(diǎn)，通過(guò)擬合函數(shù)做成響應(yīng)曲面 ( 或響應(yīng)曲線(xiàn))，優(yōu)化的結(jié)果有以下的幾種主要形式：(1)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)(Goal-Driven-Optimization)，這種優(yōu)化是一種多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，它可從得到的有限點(diǎn)中選取較優(yōu)的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其一系列的設(shè)計(jì)目標(biāo)都可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。(2) 相關(guān)參數(shù)優(yōu)化(Parameter Correlation)，它主要是獲取輸入?yún)?shù)的敏感性圖，本文可通過(guò)參數(shù)優(yōu)化得到某一個(gè)輸入?yún)?shù)相對(duì)應(yīng)的曲面，由此可以知道這一參數(shù)的影響究竟是大還是小。(3) 響應(yīng)曲面優(yōu)化(Response Surface)，從中可以直觀的觀察到輸入?yún)?shù)對(duì)整體的影響，利用圖表形式可以動(dòng)態(tài)顯示輸入與輸出參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式。(4) (Six Sigma)六希格瑪設(shè)計(jì)，這一模塊主要是用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品可靠性的概率，根據(jù)6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)誤差理論，可以分析材料屬性、幾何尺寸、載荷等不確定性輸入變量的概率分布對(duì)產(chǎn)品性能的影響，包括應(yīng)力變形等的影響。

2 刀具模型的建立

2.1 拔桿刀建模

小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀分為3個(gè)部分：中軸、外鏈接盤(pán)、刀，它們都是通過(guò)焊接的形式接在一起的。刀架的總長(zhǎng)度為550 mm，刀與刀之間的距離為495 mm，整個(gè)刀架的高度為480 mm，外鏈接盤(pán)的厚度為5 mm，刀的厚度為6 mm，在工作過(guò)程中，刀刃與作物的接觸角度為90度。整個(gè)刀具采用的材料都是AISI類(lèi)型A2刀具剛，其材料參數(shù)見(jiàn)表1。本文利用UG三維繪圖在將其轉(zhuǎn)換為x-t的格式導(dǎo)入ANSYS Geometry(有限元幾何模型)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，如圖1所示。

圖1 刀架示意圖

材料屬性屬性值密度p(kg/m3)7860彈性模量E(Pa)2.03e+011泊松比0.285

2.2 建立刀具的有限元模型

在進(jìn)行優(yōu)化之前，首先建立一個(gè)有限元模型，將畫(huà)好的幾何模型導(dǎo)入到Mechanical APDL模塊中，導(dǎo)入后選取單位為mm，材料的參數(shù)為彈性模量是2.03e+011，泊松比是0.285，密度為7860 kg/m3。其次，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這里采用的是ANSYS Workbench里自動(dòng)生成網(wǎng)格，通過(guò)檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好,如圖2所示。

圖2 刀的有限元模型

2.3 刀具的靜態(tài)應(yīng)力分析

首先根據(jù)刀在實(shí)際工作中的工況來(lái)設(shè)置刀的載荷和約束條件，此刀在工作過(guò)程中時(shí)與作物的接觸是90度，且是刀的中間部位與之接觸，在工作過(guò)程中的動(dòng)力來(lái)源于軸向的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)，所以，刀在工作時(shí)有一個(gè)向x軸的速度和一個(gè)沿軸向的旋轉(zhuǎn)速度。由于力的作用是相互的，由圖1知，當(dāng)機(jī)架開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀具在工作時(shí)所受的載荷主要集中在刀刃上，而刀的兩端是固定不動(dòng)的，所以，分析時(shí)我們可以在刀的兩端添加固定約束，在刀的刀刃上添加載荷約束，如圖3中A表示固定約束，B表示載荷約束。

圖3 載荷與約束

根據(jù)上述的操作，在Solution中添加Total deformation(總變形量)和Equivalent Elastic Strain(等效彈性應(yīng)變)的應(yīng)力，然后在點(diǎn)擊SOLVE進(jìn)行求解操作，分別得到了不同效果云圖，如圖4所示。

(a)Total deformation(總變形量)

(b)Equivalent Elastic Strain(等效彈性應(yīng)變)

由刀的靜態(tài)應(yīng)力分析可知，當(dāng)?shù)对谶M(jìn)行拔桿作業(yè)時(shí)，刀的應(yīng)力集中在刀具的中間部位，且刀還有一個(gè)沿軸向的旋切力，這個(gè)旋切力和整機(jī)的前進(jìn)速度有關(guān)，所以在定義設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，選取刀的厚度，寬度和長(zhǎng)度為參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3 刀具參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))是ANSYS Workbench具有快速優(yōu)化的功能，且可以進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化[7]，在Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))中通常把待優(yōu)化的點(diǎn)擬合為函數(shù)表達(dá)式。考慮到Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)中輸入的設(shè)計(jì)點(diǎn)是有限的，這里利用插值擬合成響應(yīng)曲面或者是線(xiàn)性模擬仿真[8]。

優(yōu)化的過(guò)程可以表示為：參數(shù)建?！O(shè)置材料屬性——進(jìn)行有限元分析——形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)——定義參數(shù)——優(yōu)化求解，進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]。

在設(shè)置參數(shù)時(shí)，定義了刀的長(zhǎng)度以及刀的應(yīng)力，如表2所示。

表2 參數(shù)變化表

因?yàn)榈毒咴诠ぷ鬟^(guò)程中對(duì)不同植株所受到力不一樣，會(huì)隨著不斷的變化，從表2中我們可以看出在刀的長(zhǎng)度為49.5時(shí)刀的應(yīng)變最小。

通過(guò)Response Surface(響應(yīng)面)可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)的敏感性結(jié)果，如圖5所示。

圖5 相關(guān)參數(shù)的敏感性圖

由圖4可知，輸入?yún)?shù)對(duì)輸出參數(shù)的影響是各不相同的，從圖5中可以看出，刀的寬度參數(shù)與厚度參數(shù)的關(guān)系，其敏感度都是大于零的，說(shuō)明輸入與輸出成正比。從響應(yīng)曲面圖中可以直觀的得到，P1、P2、P3是呈線(xiàn)性變化的，其中P1、P2與P3都是成正比關(guān)系。從以上的分析可知，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)將P1、P2和P3設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)[10]，同時(shí)，為了使刀在工作時(shí)所受的應(yīng)力變化最小，刀具的長(zhǎng)度應(yīng)該滿(mǎn)足其條件，所以要考慮到優(yōu)化目標(biāo)的重要性，由圖5、圖6及表2可知，本文優(yōu)化的重要目標(biāo)是刀具的厚度和長(zhǎng)度。

圖6 P1、P2、P3的響應(yīng)曲面

對(duì)刀進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))中會(huì)默認(rèn)產(chǎn)生A、B、C三組候選的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比，得到A組的點(diǎn)為最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，最大應(yīng)力36 Pa，且刀的長(zhǎng)度和所受到的力均減小，所以將A組作為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化比較合理，得到的分析結(jié)果如表3所示。

表3 參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比數(shù)據(jù)

4 拔桿機(jī)田間試驗(yàn)

煙桿根系與土壤是一個(gè)混合體，而且整個(gè)根體深入土壤，在根系的土壤相對(duì)其他部位密度較大，不同粗細(xì)的煙桿其根系發(fā)達(dá)程度不同，煙桿越粗，根系越發(fā)達(dá)。本試驗(yàn)分別對(duì)不同粗細(xì)的煙桿采用不同長(zhǎng)度、厚度的拔桿刀來(lái)進(jìn)行田間試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)法，分析刀厚為6 mm和7.3 mm時(shí)刀所受應(yīng)力的變化。通過(guò)在刀具的刀刃后安裝應(yīng)力傳感器，可得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如表4和表5所示。

表4 刀厚為6 mm時(shí)不同長(zhǎng)度所受應(yīng)力(Pa)表

表5 刀厚為7.3 mm時(shí)不同長(zhǎng)度所受應(yīng)力(Pa)表

由表4和表5可知，得出的數(shù)據(jù)與ANSYS優(yōu)化的結(jié)果相似，由于在田間試驗(yàn)過(guò)程中不同地方土壤的疏松程度不同，所以田間試驗(yàn)的結(jié)果與優(yōu)化的結(jié)果的相差不大。又功效公式為：

式中W為拔桿過(guò)程中的所做的功的多少；F1表示牽引力；F2表示在拔桿時(shí)所受到外界的載荷，這里主要指刀對(duì)桿的力。

利用上述公式及其數(shù)據(jù)計(jì)算得：當(dāng)?shù)逗駷?.3 mm，且刀長(zhǎng)度為490 mm時(shí)，工作的效率平均提高了5%～8%。

5 結(jié)論

(1)由Design Exploration優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明，利用三維建模，在導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型仿真，能夠客觀地描述出刀在拔桿過(guò)程中受力的應(yīng)變圖像，可以為優(yōu)化小型山地烤煙拔桿機(jī)的拔桿刀提供理論依據(jù)。通過(guò)優(yōu)化前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，優(yōu)化后能大大提高刀具的穩(wěn)定性。

(2)基于ANSYS中的Design Exploration對(duì)刀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間，將模型導(dǎo)入到ANSYS就可以快捷地得到優(yōu)化結(jié)果，節(jié)省了在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的大量計(jì)算，結(jié)果也比較準(zhǔn)確。

(3)為了更好地表現(xiàn)出刀在作業(yè)時(shí)的變化規(guī)律，便于進(jìn)行理論上的分析，在建模過(guò)程中，對(duì)一些比較復(fù)雜的力學(xué)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為理想的假設(shè)，這可能會(huì)對(duì)結(jié)果的精度有一定的影響，可以通過(guò)實(shí)踐結(jié)果對(duì)該刀具進(jìn)行完善。

(4)通過(guò)田間試驗(yàn)，進(jìn)一步的驗(yàn)證了ANSYS優(yōu)化結(jié)果的可行性，由田間試驗(yàn)得到的結(jié)果與Design Exploration(優(yōu)化設(shè)計(jì))分析結(jié)果相同，即當(dāng)?shù)兜暮穸群烷L(zhǎng)度分別為490 mm和7.3 mm時(shí)工作效率較高。

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(責(zé)任編輯：熊文濤)

2016-08-24

貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基地項(xiàng)目(CXJD[2015]003)；廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(1212014015)

羅建欽(1971- )，男，廣西恭城人，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司經(jīng)濟(jì)師。

劉祖國(guó)(1992- )，男,貴州銅仁人，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

S22

A

2095-4824(2016)06-0102-04