基于ANSYSWorkbench的玉米播種機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 趙懷祥

前言

免耕玉米播種機(jī)是在沒(méi)有耕過(guò)且地表有其它作物收割之后的殘茬條件下進(jìn)行播種的機(jī)器?？梢酝瓿善撇?、開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等操作[1]。開(kāi)溝鏟是玉米播種機(jī)的關(guān)鍵零部件，開(kāi)溝鏟在工作時(shí)的受力復(fù)雜，開(kāi)溝鏟的幾何尺寸與強(qiáng)度直接決定玉米播種機(jī)的精度。因此，為了保證開(kāi)溝鏟的強(qiáng)度和剛度要求，有必要對(duì)開(kāi)溝鏟進(jìn)行有限元分析，從而得出其工作時(shí)的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布，為設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 玉米播種機(jī)介紹

玉米播種機(jī)的三維設(shè)計(jì)如圖1所示，主要零部件包括：排種器、開(kāi)溝鏟、覆土器等。

圖1 播種機(jī)三維圖

玉米播種機(jī)的主要性能參數(shù)有：外形尺寸、懸掛方式、工作行數(shù)、工作寬度等，如表1所示。

表1 玉米播種機(jī)性能參數(shù)

2 深松開(kāi)溝鏟的設(shè)計(jì)

根據(jù)玉米播種機(jī)的要求，深松開(kāi)溝鏟選擇移動(dòng)式尖角開(kāi)溝鏟，它能很好地打破犁底層，使土層不亂；滲水抗?jié)?，保持水土；蓄水抗旱，形成地下水?kù)；降低土壤容重，提高地溫；增產(chǎn)增收等[2]。具體參數(shù)：開(kāi)溝深度8～10mm，溝面夾角30°，開(kāi)溝寬度約4cm。開(kāi)溝鏟設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 開(kāi)溝鏟示意圖

圖3 開(kāi)溝鏟裝配圖

3 開(kāi)溝鏟有限元分析

ANSYSWorkbench提供了強(qiáng)大的分析模塊，‥利用該模塊，只要給工件添加材料、網(wǎng)格劃分、定義約束和載荷就可以實(shí)現(xiàn)有限元分析。其動(dòng)力學(xué)方程如下[3]：

[M]是質(zhì)量矩陣，[K]是剛度矩陣，{x}是位移向量，{F}是靜載荷，[C]為阻尼矩陣，t是時(shí)間。在靜力學(xué)分析中，與時(shí)間有關(guān)的量等于零，方程化簡(jiǎn)如下：

開(kāi)溝鏟受到多種形式的力，其中包括開(kāi)溝鏟與土壤的摩擦力，土壤對(duì)開(kāi)溝鏟的垂直反作用力等。運(yùn)用常規(guī)方法進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算難度大，利用Pro/E軟件建模并用ANSYS對(duì)其進(jìn)行有限元分析，可以求出開(kāi)溝鏟的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況[4]。

首先，將開(kāi)溝鏟模型導(dǎo)入ANSYS，并插入靜力分析模塊。

其次，添加材料屬性、劃分網(wǎng)格。開(kāi)溝鏟采用16Mn，材料密度為7.25×103kg/m3，泊松比μ=0.31，彈性模量E=2.1×1011Pa。導(dǎo)種管采用Q235，材料密度為7.86×103kg/m3，泊松比 μ=0.3，彈性模量 E=2.0×1011Pa。單元類(lèi)型采用系統(tǒng)默認(rèn)的10借點(diǎn)四面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。

再次，定義載荷和約束。開(kāi)溝鏟在工作中受力復(fù)雜，現(xiàn)簡(jiǎn)化成一個(gè)水平阻力和一個(gè)土壤的垂直反作用力，水平阻力一般為開(kāi)溝阻力的80%～90%，因此最大水平阻力計(jì)算為130×90%=117N。垂直的反作用力為20N。

最后，求解并查看分析結(jié)果。在設(shè)定好以上參數(shù)后，便可以進(jìn)行求解，求解完成后，通過(guò)后處理，便可查看應(yīng)力分布、應(yīng)變分布情況。

綜合以上分析可以認(rèn)為開(kāi)溝鏟的強(qiáng)度、剛度足夠，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不需要再進(jìn)行尺寸或結(jié)構(gòu)的修改，且最大等應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力出現(xiàn)在開(kāi)溝鏟和導(dǎo)肥管的焊接處，因此需要保證其焊接強(qiáng)度。

[1]王麗艷,郭樹(shù)國(guó),邱立春.免耕技術(shù)及免耕播種機(jī)的發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006（2）：34-36.

[2]白廣明,富剛,周宙.深松促進(jìn)農(nóng)作物豐產(chǎn)機(jī)理綜述[J].黑龍江水專(zhuān)學(xué)報(bào),2001(3)：28.

[3]浦廣益.ANSYSWorkbench12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2010.10.

[4]王革新,強(qiáng)天綱.基于有限元的變速器軸的靜力學(xué)分析[J].黑龍江交通科技,2010(1):99-100.