基于ANSYS的鋪膜機機架有限元分析

張肖敏，鄭德聰

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

基于ANSYS的鋪膜機機架有限元分析

張肖敏，鄭德聰*

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

[目的]機架作為鋪膜機結構的支撐部件，其靜態(tài)力學特性直接影響整機的強度和剛度。為了解機架在運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)時的受力和變形情況，保證鋪膜效果，對鋪膜機機架進行有限元分析。[方法]基于UG軟件建立鋪膜機機架的三維模型，利用ANSYS Workbench建立機架的靜力學模型，分析機架的受力特點并計算出機架危險點處的應力應變值。[結果]對機架進行靜態(tài)結構分析，得到機架應力和位移變形結果。鋪膜機機架靜力模型的最大位移變形為0.90 mm，機架靜力模型的最大應力值為34.04 MPa，遠小于許用應力值。[結論]對靜態(tài)模型結果進行分析，表明機架的強度和剛度滿足使用要求。

鋪膜機； 機架； 有限元； 靜力分析

田間鋪膜技術具有增溫、保濕、保水、保墑等效應，可提高農作物生產的產量和品質，因而得到了廣泛的應用[1]。鋪膜機的使用促進了田間鋪膜技術的發(fā)展。現(xiàn)有的鋪膜機雖可一次完成開溝、壓膜、覆土等作業(yè)，但作業(yè)開始時，除動力操作人員外，還需配備輔助人員完成作業(yè)開始時的拉膜作業(yè)以及單程作業(yè)完成時的斷膜作業(yè)，這樣既增加了人的勞動強度，也影響了作業(yè)效率。為此，在現(xiàn)有鋪膜機的基礎上增設鋪膜機自動拉膜和切膜機構，不僅有利于提高鋪膜機的自動化程度和工作效率，而且還可減輕人的勞動強度。鋪膜機作業(yè)質量的好壞直接影響鋪膜技術的應用效果。機架作為鋪膜機結構支撐部件，其強度和剛度對機器工作性能影響較大。因此研究分析鋪膜機機架的應力、應變和位移規(guī)律，對提高鋪膜機的工作性能具有重要的意義[2～4]。為此，本文利用ANSYS Workbench軟件平臺，以鋪膜機機架為研究對象，對機架進行靜力學分析[5～7]，為機架結構的改進和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 機架結構的靜力分析

1.1 力學模型

圖1 運輸工況的力學模型Fig.1 The force model of frame in transiting condition

圖2 工作工況的力學模型Fig.2 The force model of frame in working condition

1.2 有限元分析模型1.2.1 三維模型的建立

運用UG NX10.0軟件建立機架的三維模型，保存為x_t格式[8，9]，導入ANSYS Workbench14.0系統(tǒng)，并進入 DesignModeler環(huán)境重新生成，形成如圖3所示的有限元分析模型。

圖3 機架的三維模型Fig.3 Three dimensional entity of frame

1.2.2 材料屬性

機架材料為農用型鋼，材質Q235，屈服極限σS=235 MPa，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg·m-3。

1.2.3 單元選擇

四面體網(wǎng)格劃分方法可以對任意幾何體劃分四面體網(wǎng)格，在關鍵區(qū)域可以使用曲率和近似尺寸功能自動細化網(wǎng)格，并能彌補用六面體單元劃分形狀復雜的模型可能出現(xiàn)不完整六面體的缺陷，因此分析采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分[10]。

1.2.4 網(wǎng)格劃分

為簡化分析計算過程，將機架的焊接部分設定為一體進行網(wǎng)格劃分。機架網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖4所示。網(wǎng)格中共有7 792個單元，18 294個節(jié)點。

1.3 邊界條件分析與處理

邊界條件由慣性載荷、結構載荷和約束等組成。慣性載荷作用在整個分析模型上，與模型質量有關，因此必須在材料屬性中設置材料的密度。慣性載荷通過施加慣性加速度來實現(xiàn)，將該加速度產生的慣性力加載到模型上。在對機架進行靜力分析時，模型的慣性載荷只有重力加速度，因此向該模型施加慣性載荷—重力加速度，方向為-Z方向。結構載荷是指作用在模型或者模型某一部分上的力或者力矩。約束是結構中限制結構系統(tǒng)或者部件在一定范圍內移動[11～13]。

圖4 機架網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Meshing model of the frame

1.3.1 運輸工況邊界條件處理

(1)力的邊界

鋪膜機機架各對應位置安裝部件如表1所示。在運輸過程中機架的主要載荷為各部件的重力及其對前端橫梁的力矩。自重通過慣性載荷施加。根據(jù)公式(1)：

(1)

將表1中各對應值帶入(1)，計算得M1=468 477.21 N·mm。

在ANSYS Workbench中可以直接創(chuàng)建局部加力面施加載荷。圖1所示的各力也均為局部面力，各力的大小及加力面節(jié)點編號如表1所示。

表1 機架安裝部件

(2)位移邊界

運輸工況下，前端橫梁通過三點懸掛機構與拖拉機相連，因此在與橫梁連接處施加固定約束，即令UX=0，UY=0，UZ=0。施加約束面的節(jié)點編號為490～507，690～707，736～742，2 294～2 309，4 587～4 609，5 484～5 507。

1.3.2 工作工況邊界條件處理

(1)力的邊界

鋪膜一般在耙地之后土塊較小、地面較平整的情況下作業(yè)。在農業(yè)機械中，單個輕型圓盤的耙地深度為10 cm，牽引阻力為2～3 kN[14]。在工作工況下，安裝在機架上的儲膜機構、拉膜動力輸出部分、拉膜雙棍機構以及切膜機構懸掛于機架，對機架的作用力仍為重力，因此機架在這些部件安裝位置力的大小及加力面節(jié)點編號與運輸工況相同(如表1所示)。假定鋪膜作業(yè)勻速進行，安裝在機架的起土機構和覆土機構會與土壤作用產生阻力并作用于機架，因此，起土機構和覆土機構對機架的作用力變成水平方向的牽引阻力，且阻力小于耙地時的牽引阻力。取最大牽引阻力進行分析，在工作工況安裝起土機構和覆土機構處力的大小及加力面節(jié)點編號如表2所示。

表2 工作工況力的邊界條件

Table 2 The boundary condition of force in working condition

載荷代號Thecodeofforce載荷大小/NMagnitudeofloads加力面上的節(jié)點編號ThenodesnumberofimprintfaceF13000551～560,4866～4883F'13000761～770,5786～5803F2300013698～13711F'2300018071～18084

(2)位移邊界

工作工況下，位移邊界與運輸工況相同。此外，工作工況覆土機構與地面接觸，覆土機構與機架連接處施加固定約束。

1.4 分析結果

1.4.1 運輸工況

由ANSYS Workbench分析，可得到機架在運輸過程中的位移及應力云圖。機架位移變形分布云圖如圖5所示，分析位移變形云圖，可知機架的最大位移為0.90 mm，發(fā)生在門形機架兩側安裝覆土機構處。

圖5 運輸狀態(tài)機架位移變形分布云圖Fig.5 Displacement of frame in transiting condition

機架的等效應力分布云圖如圖6所示。由于Q235屬于塑性材料，選用第四強度理論進行校核[15]。強度條件為：

(2)

其中，[σ]為許用應力；σs為屈服極限；n為安全系數(shù)。

Q235的屈服極限為235 MPa，安全系數(shù)n取1.5，代入式(2)得到許用應力[σ]為156.67 MPa。

分析圖6可知，機架應力最大值為16.33 MPa，遠小于許用應力156.67 MPa，則機架的強度滿足使用要求。

圖6 運輸狀態(tài)機架等效應力分布云圖Fig.6 Stress distribution of frame in transiting condition

1.4.2 工作工況

由ANSYS Workbench分析，可得到機架在工作工況下的位移及應力云圖。機架位移變形分布云圖如圖7所示，分析位移變形云圖，可知機架的最大位移為0.06 mm。

圖7 工作工況機架位移變形分布云圖Fig.7 Displacement of frame in working condition

機架的等效應力分布云圖如圖8所示。分析圖8可知，機架應力最大值為34.04 MPa，遠小于許用應力值156.67 MPa，則機架的強度滿足使用要求。

圖8 工作工況機架等效應力分布云圖Fig.8 Stress distribution of frame in working condition

2 結論

(1)采用矩形管組成的鋪膜機焊接鋼架，運輸工況下靜力分析的最大位移和最大應力值分別為0.90 mm和16.33 MPa，許用值為156.67 MPa，所以滿足運輸工況下強度和剛度要求。

(2)機架工作工況下靜力分析的最大位移和最大應力值分別為0.06 mm和34.04 MPa，遠小于許用應力值156.67 MPa，所以該機架既可以保證整機作業(yè)質量，又能夠滿足整機剛度和強度要求。

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(編輯：李曉斌)

Finite element analysis of frame of the film laying machine based on ANSYS

Zhang Xiaomin， Zheng Decong*

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，ShanxiTaigu030801，china)

[Objective]The static characteristics of the frame directly affect its strength and stiffness as the supporting component of film laying machine. In order to know the stress and deformation of the frame in transiting condition and working condition, the finite element analysis was carried out on the frame of the film laying machine to ensure the effect of the film laying.[Methods]In this paper, using the UG software established the three-dimensional model of the frame of the film laying machine, using the ANSYS Workbench established the static model, analysis and calculation of the stress and strain at the risk point of the frame.[Results]We could obtained the deformation results of the frame stress and displacement in static structure analysis of frame. We knew the maximum displacement of the static model of the film laying machine frame was 0.90mm, and the maximum stress value of the frame static model was 34.04Mpa, which was much smaller than the allowable stress value.[Conclusion]The results of static model analysis showed that the strength and stiffness of the frame met the use requirements.

The film laying machine， Frame， Finite element， Static analysis

2016-11-04

2016-11-22

張肖敏(1989-)，女(漢)，山西臨汾人，碩士研究生，研究方向：農業(yè)機械設計

*通信作者：鄭德聰，教授，碩士生導師，Tel：0354-6288906；E-mail：zhengdecong@126.com

S233.9

A

1671-8151(2017)02-0146-05