基于ansys的開溝刀三維參數(shù)化模型的構建與分析

基于ansys的開溝刀三維參數(shù)化模型的構建與分析

0施肥及覆土果林果林是現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分，也是富裕工程的重要組成部分。施肥是果樹生產管理中重要的技術措施,其合理與否直接影響著果樹生長、產量、果品質量及經(jīng)濟效益。在生產中,絕大部分成齡果樹的根系都分布在400～450mm深處,因此施肥深度應控制在400mm左右。鑒于上述情況,施肥前就需在每棵果樹兩側、根系集中分布層稍遠和稍深處各挖一條連續(xù)或斷續(xù)的寬度為300mm、深度為400mm左右的溝來,然后進行施肥覆土。目前,我國幾乎都用人工完成,但人工作業(yè)非常困難,工作量大,效率非常低。若采用鏈式開溝機進行作業(yè),可大幅度提高開溝的效率,但對于專門用于果園里開溝來說,由于果園的地表不平整,有雜草、樹枝及石塊等,地下有樹根,其開溝條件比較惡劣,一般開溝機難以適應。因此,研制出一種適合于果園施肥開溝的機械對減少人力和物力資源的浪費、提高勞動生產率具有重要意義。開溝刀是開溝機的關鍵工作部件,其結構參數(shù)是否合理直接影響著機具的工作阻力和作業(yè)性能。為了獲得開溝刀最佳結構參數(shù),利用AIP創(chuàng)建了開溝刀的三維參數(shù)化特征模型,并通過內嵌于AIP的ANSYS技術模塊對其進行三維結構有限元靜力學分析,以期獲得較好的結構參數(shù),減小工作阻力,提高作業(yè)性能,保證作業(yè)質量。1灌溉1.1機構和鬧龍組成開溝機主要由大架、變速箱、液壓升降機構、主梁、鏈條支撐梁、鏈刀組合機構和攪龍組成,如圖1所示。所研制的施肥開溝機基本參數(shù):整機前進速度為400m/h,開溝裝置鏈條速度為2m/s,開溝裝置與水平面成30°夾角,溝寬300mm,溝深400mm,開溝機刀片采用斷面為C型結構。1.2降機構的工作原理開溝機工作時,動力由拖拉機發(fā)動機通過變速箱帶動主軸回轉,并帶動其上的主動鏈輪轉動。主梁通過液壓升降機構使其下傾一定角度,鏈條緊邊上的刀片沿鏈條支撐梁向上運動,并切削土壤,切削下來的土壤在刀片的帶動下繞過主動鏈輪卸載。卸載后的刀片沿鏈條支撐梁上側往下運動,繞過從動鏈輪后繼續(xù)切削土壤,如此連續(xù)不斷地工作。在主動鏈輪處落下來的土壤經(jīng)過兩側的攪龍排土器被分到溝的兩側,開溝機同時前行,形成溝槽。2開溝刀元代靜力分析2.1開溝刀特征造型實現(xiàn)開溝刀的結構簡單,制造容易,其三維實體模型的基本特征主要為拉伸、倒角、折彎、打孔和鏡像。在AIP軟件中建立開溝刀的三維實體模型,其造型特征樹和結構如圖2所示。在特征造型過程中,充分利用參數(shù)化功能建立尺寸驅動關聯(lián)關系,通過更改尺寸可驅動模型變化,為后續(xù)有限元分析時參數(shù)更新做好了模型準備。開溝刀的初始經(jīng)驗數(shù)據(jù)和可調關鍵尺寸通過AIP軟件系統(tǒng)的fx參數(shù)表命名,如圖3所示。這些數(shù)據(jù)中,開溝刀總寬度和安裝孔位置是根據(jù)所開溝的寬度和鏈條尺寸來確定的,在后續(xù)優(yōu)化過程中不能變更。其余參數(shù)則并非最優(yōu),可根據(jù)后續(xù)分析結果進行確認和調整。2.2重力分析2.2.1維有限元分析結果的準確性AIP系統(tǒng)內嵌了ANSYS應力分析技術模塊,ANSYS有限元分析技術在三維結構靜力學分析中獲得了很好的應用,并且其分析結果的準確性已經(jīng)得到了公認。三維實體模型和邊界條件共同組成一個可以進行結構靜力學分析的物理系統(tǒng)。為了確保分析結果的正確性,分析之前做基本假設:材料為應力與壓力成正比的線性材料;暫不考慮溫度對開溝刀材料的影響;材料特性在所有方向表現(xiàn)為各向同性;與開溝刀厚度斷面尺寸相比,總變形很小。2.2.2碳素鋼材料開溝刀材料的選擇需要考慮材料密度、極限強度、泊松比和耐磨性等,同時還要考慮材料的造價和可維護性。優(yōu)質碳素結構鋼65Mn剛性好,耐磨損,在農機部件中常用作犁鏵等觸土工作部件。本例中,基于AIP系統(tǒng)提供的碳素鋼材料創(chuàng)建了65Mn材料。在應力分析中指定該材料,則開溝刀就具備了65Mn材料屬性。密度ρ=7.87g/cm3,楊氏模量E=200GPa,泊松比μ=0.3,屈服強度σs=430MPa,極限拉伸強度σb=735MPa。2.2.3開溝刀掘比阻力計算切屑厚度δ是切削工作面尺寸及機器運動參數(shù)的函數(shù),與整機前進速度、鏈速、刀片排列方式和開溝裝置與水平面之間的夾角有關,如圖4所示。單個刀片切削阻力F可通過切屑斷面面積A與面挖掘比阻力相乘得到。面挖掘比阻力是指刀片切削時在每1m2切屑斷面上所需用的切削力值,它的大小與土壤的機械特性有關。F=A×δω=δ×b×δω=v0×LdvLsinα×b×δωF=A×δω=δ×b×δω=v0×LdvLsinα×b×δω式中v0—開溝機前進速度;Ld—相鄰刀片之間的距離;vL—鏈速;α—開溝裝置與水平面之間的夾角;b—切削寬度;δω—面挖掘比阻力,取δω=2.6×105N/m2。經(jīng)計算得單個刀片切削阻力F=1000N。開溝刀所受阻力主要指發(fā)生在工作隙角傾斜面和刃口部位的摩擦力與正壓力,另外還有刀體內外兩側的土壤摩擦力。根據(jù)作用面積大小,將阻力進行等效載荷細分,并施加載荷,如圖5(a)所示。2.2.4開溝刀初始設計的應力分析劃分網(wǎng)格前首先確認網(wǎng)格相關性設置,網(wǎng)格相關性用于控制網(wǎng)格單元的大小和數(shù)量,粗糙的網(wǎng)格是快速求解方案,其結果可能不準確;反之,精細網(wǎng)格的物理模型數(shù)學表示較好,但求解慢,計算時間長。這里采用網(wǎng)格相關性默認設置值0進行網(wǎng)格劃分,共得到977個單元和2372個節(jié)點,結果如圖5(b)所示。完成開溝刀材料、約束和力等設置,并進行了有限元網(wǎng)格劃分后,即可運行ANSYS求解方案進行計算,得到起苗鏟三維應力分析結果。圖6所示為開溝刀在受阻力情況下的等效應力和安全系數(shù)圖。根據(jù)安全系數(shù),可以更加直觀地判斷材料是否發(fā)生永久變形。安全系數(shù)可通過對可延展材料應用最大等效應力失敗原理來計算得出,應力限制由材料的屈服拉伸強度指定。只有安全系數(shù)k大于1的設計才可以被接受,一般認為控制在2～4之間的設計最為合理。表1為開溝刀初始設計的三維應力分析結果。由表1可知,開溝刀安全系數(shù)為0.940,其值小于1,這意味著開溝刀可能會發(fā)生永久變形或斷裂。若增大鋼板的結構尺寸,則阻力也會相應增大。因此,應從開溝刀的結構參數(shù)和安裝排列方式兩方面進行改進。3改進的開溝刀應力分析利用參數(shù)化模型對開溝刀的結構參數(shù)進行改進,采用組合刀的形式,如圖7所示。窄刀的寬度為140mm,寬刀開口之間的尺寸稍小于140mm。兩刀采用相間的方式進行排列,使其在工作過程中盡量不重不漏。改進后窄刀的受力為467N,寬刀的受力為533N。分別對其進行三維應力分析,結果如表2和表3所示。由表2和表3可知,改進后開溝刀的安全系數(shù)分別為2.555和2.013,均落在2～4之間,且變形量均較小。因此,改進后的開溝刀較好的滿足了設計要求,節(jié)省了材料,保證了強度,降低了工作阻力。4sys求解方案的計算本文利用AIP軟件創(chuàng)建了開溝刀零件的參數(shù)化模型,確定了開溝刀的基本結構和參數(shù),并對刀具施加載荷和約束,運行AIP的ANSYS求解方案對其進行三維應力計算。根據(jù)計算結果,對開溝