殘膜回收機(jī)挑膜彈齒的有限元分析

木塔力甫·艾力　張佳

摘要：目前，以分析、優(yōu)化設(shè)計和仿真為目的的虛擬樣機(jī)技術(shù)VPT在不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。分析殘膜回收關(guān)鍵零部件的有限元，采用建模的方法計算彈齒的應(yīng)力、位移及應(yīng)變，校核挑膜彈齒的強(qiáng)度，確定彈齒能夠滿足工作需求。

關(guān)鍵詞：挑膜彈齒；有限元分析；VPT；強(qiáng)度校核

中圖分類號：S220.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）07-0039-03

目前，以分析、優(yōu)化設(shè)計和仿真為目的的虛擬樣機(jī)技術(shù)VPT（virtual prototyping technology）在不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中，通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)器進(jìn)行三維建模，可以不斷的進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改和方案調(diào)整，使機(jī)器達(dá)到結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能最優(yōu)，無需象傳統(tǒng)設(shè)計一樣多次制造不同方案樣機(jī)，降低機(jī)器的開發(fā)成本以及縮短機(jī)器的開發(fā)時間。

1 挑膜彈齒有限元分析

1.1 導(dǎo)入挑膜機(jī)構(gòu)三維模型

打開SolidWorks軟件，單擊Simulation圖標(biāo)，新建算例，導(dǎo)入的挑膜機(jī)構(gòu)裝配體模型如圖1所示。挑膜彈齒為均勻安裝在挑膜滾筒上，每個彈齒所受載荷近似相等，在此只對其中一個彈齒進(jìn)行有限元分析。

1.2 定義挑膜彈齒的材料屬性

在使用Simulation對挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析時，定義材料屬性有很多種方式。常用零件的材料可以直接在SolidWorks軟件材料庫中選取，SolidWorks軟件自帶材料庫中沒有的材料，可以使用Centor庫中的材料，還可以通過自定義添加新的材料屬性。如圖2所示，挑膜彈齒的材料選用55SiMnVB，它是一種彈性好、疲勞強(qiáng)度很高的材料，其力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量E=196 GPa；泊松比μ=0.3；密度為ρ=

7 860 kg/m3；σb=735 MPa；τ=440 MPa。

1.3 定義分析方法

在Simulation有限元分析類型下提供的分析方法有靜態(tài)、優(yōu)化、頻率、非線性、扭曲、疲勞等。挑膜機(jī)構(gòu)有限元分析方法選用“靜態(tài)”。

對挑膜彈齒施加載荷和約束。在定義彈齒邊界條件時，為了讓彈齒的底端不發(fā)生位移變化，將挑膜彈齒的底端固定，挑膜彈齒相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，限制彈齒底端部沿基本坐標(biāo)系的移動約束TX=TY=TZ=0，繞基本坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動約束RX=RY=RZ=0；已知彈齒的入土深度為5 cm，將載荷施加到挑膜彈齒齒尖5 cm范圍內(nèi)。挑膜彈齒入土?xí)r受到垂直向下的阻力Fy，水平方向受到土壤阻力F土和摩擦力F1，則土壤阻力的計算公式為： F土=Kw×A。式中：Kw為彈齒受到的載荷系數(shù)，與作業(yè)機(jī)前進(jìn)速度、彈齒結(jié)構(gòu)參數(shù)和土壤性質(zhì)等有關(guān)，一般為4.9～9.8 N/cm2，在計算載荷時通常選取最大值9.8 N/cm2；A為所受載荷的作用面積，cm2。

經(jīng)計算可得：F土=29.4 N；Fy=150～500 N，這里取300 N；F1=f×Fy=tan15×300=80.4（N）。

f為土壤與合金鋼的摩擦系數(shù)，一般為tan15～tan40，故挑膜彈齒受到水平方向的牽引阻力為：Fx=

F土+F1=29.4+80.4=109.8（N）。所以挑膜彈齒受到的合作用力為F合==319.4（N）。加載到彈齒齒尖的載荷選取400 N，均勻加載到彈齒齒尖5 cm范圍內(nèi)。

1.4 對挑膜彈齒進(jìn)行網(wǎng)格劃分

使用Simulation軟件進(jìn)行有限元分析時，系統(tǒng)自動為模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如果對計算結(jié)果的精度有較高要求或者需要網(wǎng)格劃分一些特殊曲面模型，可以手動定義網(wǎng)格劃分；如果要求計算精度很高，就需要將零部件網(wǎng)格劃分的較細(xì)，但計算速度隨之降低。在對挑膜彈齒的有限元分析中，網(wǎng)格劃分精度為2 mm，誤差范圍為5%，即0.1 mm。設(shè)置網(wǎng)格屬性為“網(wǎng)格品質(zhì)高”，采用“光滑表面”的網(wǎng)格控制，解算器采用“FFEplus”，并使用：“慣性卸除”。網(wǎng)格屬性設(shè)置后，在Simulation資源管理器下單擊網(wǎng)格生成，開始對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.5 運(yùn)行分析

從Simulation資源管理器下選擇運(yùn)行，顯示運(yùn)算進(jìn)度，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)、自由度數(shù)目，運(yùn)算所用時間等信息。在靜態(tài)運(yùn)行完成后，Simulation會在資源管理器下生成應(yīng)力（Stress）、位移（Displacement）、應(yīng)變（Stain）、變形（Deformation）、設(shè)計檢查（Design check）等結(jié)果模板，通過這些結(jié)果模板可查看分析結(jié)果。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力結(jié)果分析

在Simulation資源管理器下，點(diǎn)擊應(yīng)力（Stress）模板邊上的加號，可看到挑膜彈齒的應(yīng)力圖（如圖3所示）。最大應(yīng)力發(fā)生在彈齒底端，為6.424e+008 N/m2。

應(yīng)力結(jié)果還可以以列表形式輸出，從列表中顯示，最大應(yīng)力發(fā)生在彈齒齒尖處，數(shù)值為6.424e+008 N/m2；而最小應(yīng)力數(shù)值為1.096e+005 N/m2。為了讓設(shè)計者更好的理解應(yīng)力作用下的模型變形情況，使用了1倍的變形比例。本設(shè)計的屈服應(yīng)力為1.225+e009 N/m2。

2.2 位移結(jié)果分析

挑膜彈齒的位移分析如圖4所示。與應(yīng)力圖中相似，圖例中從藍(lán)色到紅色位移逐漸增加，也使用了與應(yīng)力同樣的變形比例。從圖4中可看出，模型最大位移在挑膜彈齒的齒尖上，位移值為1.843e+001 mm；最小位移值則在彈齒末端，數(shù)值為1.000e-030 mm。

2.3 應(yīng)變和變形結(jié)果分析

如圖5所示，如果使用節(jié)數(shù)值來觀察對等應(yīng)變時，應(yīng)變云圖與應(yīng)力云圖相似，只是在右邊的圖例數(shù)值上有所不同。變形結(jié)果分析圖與位移結(jié)果分析圖相比，沒有用色彩來表示圖例，僅有放大比例后的模型的變形圖。

2.4 設(shè)計檢查結(jié)果分析

在對挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析后，根據(jù)所選的失效標(biāo)準(zhǔn)對挑膜彈齒進(jìn)行安全校核。在圖6中，最大安全系數(shù)在挑膜彈齒的齒尖上，數(shù)值為1.117e+004，最小安全系數(shù)在彈齒末端處，數(shù)值為1.91。最小安全系數(shù)為3，使用的校核準(zhǔn)則為第四強(qiáng)度理論。

進(jìn)行強(qiáng)度校核時，準(zhǔn)則下可選的校核標(biāo)準(zhǔn)有最大正應(yīng)力（第一強(qiáng)度理論）、Mohr-coulomb應(yīng)力（莫爾強(qiáng)度理論）、最大抗剪應(yīng)力Tresca（第三強(qiáng)度理論）和最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）。選用最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）準(zhǔn)則進(jìn)行校核，應(yīng)力單位N/m2，安全系數(shù)為3。

彈齒使用的校核準(zhǔn)則是第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論標(biāo)準(zhǔn)是基于最大形狀改變比能的理論，認(rèn)為無論怎樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達(dá)到與零件材料性質(zhì)相關(guān)的極限值，零件就會發(fā)生屈服。根據(jù)主應(yīng)力σ1，σ2，σ3，屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應(yīng)力。

在許多情況下，屈服應(yīng)力被用作應(yīng)力極限σlimit，則安全系數(shù)FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數(shù)FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結(jié)論

通過對殘膜回收機(jī)挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析，能夠計算機(jī)器關(guān)鍵零部件在工作中受到的最大應(yīng)力、最大位移以及最大應(yīng)變值，具有節(jié)省材料、減少機(jī)具制造成本、大大縮減機(jī)器開發(fā)時間的作用。基于計算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和研究，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質(zhì)量設(shè)計與開發(fā)的保證。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙海軍.殘膜撿拾滾筒的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究[D].烏魯木齊：新疆大學(xué)，2005.

[2] 魯亞云.氣吹式秋后殘膜回收機(jī)設(shè)計及分析研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 王茂成，邵敏.有限元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.

[4] 張德云，李亞雄.4FS-2型殘膜聯(lián)合回收機(jī)的改進(jìn)設(shè)計[J].農(nóng)牧與食品機(jī)械，1994 （4）：23-25.

[5] 張木林，王緯.1MS-800塑料殘膜回收機(jī)[J].農(nóng)牧與食品機(jī)械，1992，60 （2）：7-11.

在對挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析后，根據(jù)所選的失效標(biāo)準(zhǔn)對挑膜彈齒進(jìn)行安全校核。在圖6中，最大安全系數(shù)在挑膜彈齒的齒尖上，數(shù)值為1.117e+004，最小安全系數(shù)在彈齒末端處，數(shù)值為1.91。最小安全系數(shù)為3，使用的校核準(zhǔn)則為第四強(qiáng)度理論。

進(jìn)行強(qiáng)度校核時，準(zhǔn)則下可選的校核標(biāo)準(zhǔn)有最大正應(yīng)力（第一強(qiáng)度理論）、Mohr-coulomb應(yīng)力（莫爾強(qiáng)度理論）、最大抗剪應(yīng)力Tresca（第三強(qiáng)度理論）和最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）。選用最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）準(zhǔn)則進(jìn)行校核，應(yīng)力單位N/m2，安全系數(shù)為3。

彈齒使用的校核準(zhǔn)則是第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論標(biāo)準(zhǔn)是基于最大形狀改變比能的理論，認(rèn)為無論怎樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達(dá)到與零件材料性質(zhì)相關(guān)的極限值，零件就會發(fā)生屈服。根據(jù)主應(yīng)力σ1，σ2，σ3，屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應(yīng)力。

在許多情況下，屈服應(yīng)力被用作應(yīng)力極限σlimit，則安全系數(shù)FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數(shù)FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結(jié)論

通過對殘膜回收機(jī)挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析，能夠計算機(jī)器關(guān)鍵零部件在工作中受到的最大應(yīng)力、最大位移以及最大應(yīng)變值，具有節(jié)省材料、減少機(jī)具制造成本、大大縮減機(jī)器開發(fā)時間的作用?；谟嬎銠C(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和研究，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質(zhì)量設(shè)計與開發(fā)的保證。

參考文獻(xiàn)

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在對挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析后，根據(jù)所選的失效標(biāo)準(zhǔn)對挑膜彈齒進(jìn)行安全校核。在圖6中，最大安全系數(shù)在挑膜彈齒的齒尖上，數(shù)值為1.117e+004，最小安全系數(shù)在彈齒末端處，數(shù)值為1.91。最小安全系數(shù)為3，使用的校核準(zhǔn)則為第四強(qiáng)度理論。

進(jìn)行強(qiáng)度校核時，準(zhǔn)則下可選的校核標(biāo)準(zhǔn)有最大正應(yīng)力（第一強(qiáng)度理論）、Mohr-coulomb應(yīng)力（莫爾強(qiáng)度理論）、最大抗剪應(yīng)力Tresca（第三強(qiáng)度理論）和最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）。選用最大von Mises應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）準(zhǔn)則進(jìn)行校核，應(yīng)力單位N/m2，安全系數(shù)為3。

彈齒使用的校核準(zhǔn)則是第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論標(biāo)準(zhǔn)是基于最大形狀改變比能的理論，認(rèn)為無論怎樣的應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達(dá)到與零件材料性質(zhì)相關(guān)的極限值，零件就會發(fā)生屈服。根據(jù)主應(yīng)力σ1，σ2，σ3，屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應(yīng)力。

在許多情況下，屈服應(yīng)力被用作應(yīng)力極限σlimit，則安全系數(shù)FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數(shù)FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結(jié)論

通過對殘膜回收機(jī)挑膜彈齒進(jìn)行有限元分析，能夠計算機(jī)器關(guān)鍵零部件在工作中受到的最大應(yīng)力、最大位移以及最大應(yīng)變值，具有節(jié)省材料、減少機(jī)具制造成本、大大縮減機(jī)器開發(fā)時間的作用。基于計算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和研究，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質(zhì)量設(shè)計與開發(fā)的保證。

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