基于有限元的元胡收獲機(jī)鏟架疲勞壽命分析

張偉東 孫浩然 李偉張

摘 要：為了探究元胡收獲機(jī)鏟架的應(yīng)力、變形分布情況，分析了鏟架的受力，使用Workbench軟件建立了鏟架的有限元模型，通過靜力學(xué)分析獲得了鏟架的應(yīng)力云圖、變形云圖，并對(duì)鏟架進(jìn)行了疲勞壽命分析，得到了鏟架壽命最小的位置，其結(jié)果為進(jìn)一步研究元胡收獲機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)特性提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：元胡收獲機(jī);鏟架;有限元;靜力學(xué)分析;疲勞壽命

中圖分類號(hào)：S225.7+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to explore the stress and deformation distribution of the shovel frame of Yuanhu harvester，the force of the shovel frame was analyzed，the finite element model of the shovel frame was established by using Workbench，the stress cloud diagram and deformation cloud diagram of the shovel frame were obtained by static analysis，the fatigue life of the shovel frame was analyzed，and the position of the minimum life of the shovel frame was obtained.The results provide a theoretical basis for further study of the structural characteristics of the whole machine.

Key words：Yuanhu harvester; shovel; finite element; static analysis; fatigue life

我國作為根莖類作物種植大國，如何提高根莖類作物收獲水平一直是科研工作者研究的熱點(diǎn)[1，2]。元胡作為根莖類作物的一種，同時(shí)具有藥用和實(shí)用價(jià)值[3]。由于元胡體積較小，生長在較深的土壤中，不易收獲，其價(jià)值得不到較好的利用[4]。因此，為研究元胡收獲機(jī)鏟架整體的結(jié)構(gòu)特性，將鏟架作為研究對(duì)象，基于有限元方法對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行分析，確定工作過程中元胡收獲機(jī)鏟架應(yīng)力變形較大部位和壽命最小部位，為元胡收獲機(jī)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論支撐。

1 鏟架受力分析

切削阻力是鏟架在工作過程中所受的阻力[5]，通常由鏟架切削土壤產(chǎn)生的摩擦力和堆積在鏟架上方的土壤對(duì)鏟架的擠壓力，在方向上可分解為法向切削阻力和切向切削阻力，如圖1所示。

由于元胡主要生長普通黏土內(nèi)，取土壤等級(jí)為Ⅲ級(jí)，k0=12N/cm2，τ=0.2;生長位置為地面以下5～20cm的土壤內(nèi)，取htmax=20cm;鏟架寬度為140cm，取b=140cm。經(jīng)計(jì)算可得，F(xiàn)t=33600N，F(xiàn)n=6720N。

2 鏟架有限元模型

使用建模軟件建立元胡收獲機(jī)鏟架，為省略后續(xù)計(jì)算時(shí)間，在建模時(shí)消除鏟架的間隙，簡化主體結(jié)構(gòu)[7]。將建好的模型導(dǎo)入Workbench中，將材料定義為Q345，單元尺寸定義為5mm，使用solid186單元對(duì)鏟斗模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其單元數(shù)為75633，節(jié)點(diǎn)數(shù)為75652。元胡收獲機(jī)鏟架有限元模型如圖2所示。

3 靜力學(xué)分析

靜力分析是一種用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下響應(yīng)的方法，廣泛地應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析中。根據(jù)第1節(jié)中鏟架的受力分布對(duì)鏟架有限元模型進(jìn)行加載，經(jīng)計(jì)算可得鏟架應(yīng)力與變形云圖，如圖3所示。

4 疲勞壽命分析

在Workbench中分析疲勞壽命時(shí)，采用了彈塑性假設(shè)和Miner累積疲勞準(zhǔn)則[8]。將第3節(jié)中靜力學(xué)分析結(jié)果代入疲勞壽命分析，在Fatigue模塊中設(shè)置鏟架載荷類型為Zero-based，基于修正理論計(jì)算求解得到鏟架的疲勞壽命云圖，如圖4所示。

應(yīng)力越大的部位，達(dá)到疲勞極限所需的動(dòng)載荷的循環(huán)次數(shù)越少。圖4中，最小應(yīng)力循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)在推土鏟與兩側(cè)固定板的焊接處，最小應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為4.9617×107，以一次循環(huán)時(shí)間為4秒計(jì)算，折合工作時(shí)間約為55130h，以日工作10h制為例，可以工作15.31年。除此以外，其他部位的循環(huán)次數(shù)都很高，最大循環(huán)次數(shù)為1×1011次，可以看作無限壽命。經(jīng)疲勞壽命分析可知，鏟架滿足使用要求。

5 結(jié)論

建立了元胡收獲機(jī)鏟架的三維模型，結(jié)合ANSYS/Workbench建立了鏟架的有限元模型，通過仿真分析，獲得了鏟架的應(yīng)力分布、變形云圖和疲勞壽命云圖。根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)推土鏟與兩側(cè)固定板的焊接處出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，推土鏟中間部位變形最大，因此可增加推土鏟的厚度來減小應(yīng)力與變形，也在一定程度上提高鏟架的使用壽命。

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