基于ANSYS Workbench的小型松土機構件有限元分析

摘要：翻土鏟是小型松土機的重要構件，其對強度、硬度、耐磨性要求較高。同時，在工作過程中翻土鏟在敲打地面時會產(chǎn)生強烈的振動，如何減小振動對整個機構的影響使機構能夠穩(wěn)定運轉也至關重要，各個翻土鏟的排列順序以及相互之間錯開的角度，會對機器的運行造成較為明顯的影響。

關鍵詞：ANSYS Workbench;翻土鏟;網(wǎng)格劃分;約束載荷

此種小型松土機工作原理，是從人們用鐵鏟挖土的方法靈感而來，模擬人們在土地翻土時手工鏟擊動作，以等價轉換的方式用翻土鏟來實現(xiàn)對土地的翻松[1]。由動量定理可知：F×△t=m×△v。當翻土鏟的質量固定，給以相對較高的速度，設定很低的時間，這樣得出作用在土地上時力的大小，當力大小適宜時，便可把土面翻動。

1.有限元分析特點

相比于傳統(tǒng)的人工校核分析法，通過計算機軟件進行的有限元分析法則具有智能化、精度高、耗時短等特點，同時也為工程案例的分析提供了更精確的保障[5]。因此，本文將采用ANSYS Workbench軟件對小型松土機的翻土鏟進行有限元分析，通過求解所得的零部件總體變形圖，分析校核翻土鏟在工作過程中是否會發(fā)生失效。

2.模型建立和網(wǎng)格劃分

ANSYS分析任務的開展，需要預先存在一個小型松土機的翻土鏟實體模型。正因為建模的工作是完成整個案例分析的首要工序，故占據(jù)著非常重要的地位。建立翻土鏟實體模型的時候，可以通過其他三維軟件完成建模工作，再將其保存為ANSYS可識別的文件模式，便可于Geometry模塊中順利加載出外部模型。

網(wǎng)格劃分工具平臺實際就是為ANSYS軟件的不同物理場和求解器提供相應的網(wǎng)格文件，該步驟在將實體模型轉變?yōu)橛邢拊Ｐ偷倪^程中起到至關重要的作用。選擇劃分網(wǎng)格方法的合適與否將直接影響網(wǎng)格劃分的質量，進而對后期分析求解的精度和速度也會造成極大的影響。針對本文所研究的小型松土機，進行單獨劃分翻土鏟的網(wǎng)格時，將在Mechanical模塊中進行網(wǎng)格劃分的操作。而在Mechanical的樹形分支下，Mesh步驟中已有自動化分網(wǎng)格選項，但其劃分的網(wǎng)格均勻度較差，且網(wǎng)格數(shù)量較少，故需要進一步地在Mesh分支的明細欄里進行細化設置，將Relevance處改為100，Relevance Center改為Fine，Transition改為Slow，之后重新Generate Mesh獲得網(wǎng)格密度較高的劃分模型。

3. 施加約束載荷分析

創(chuàng)建完幾何體的網(wǎng)格劃分后，考慮工程運行中所受到的負載及約束情況，對翻土鏟進行靜力學分析。施加約束是為了對小型松土機的翻土鏟在空間中可能發(fā)生的位移進行限制，針對Mechanical模塊常見的固定約束、無摩擦約束、圓柱面約束、固定旋轉約束，設計翻土鏟有限元模型施加約束及載荷的結果如圖1所示。

4.求解處理分析結果

由于翻土鏟是與地面直接接觸的工作部件，它運行強度高、次數(shù)多，因此該處也為關鍵的易失效部位。經(jīng)受力分析，翻土鏟主要受到與地面接觸的打擊力，連接部位極易發(fā)生損傷。對翻土鏟的實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分，對其施加約束和載荷后，進入分析求解階段。查看翻土鏟的總體變形圖，如圖2所示，由求解結果可知，其最大變形量、最大應力與應變值都發(fā)生在前端位置。為防止翻土鏟磨損嚴重，本文在設計中選擇翻土鏟材料為HT200，由圖示變化程度可以看出，翻土鏟的變化量均未達到失效的程度，因此在打擊力F=1300N的作用下，翻土鏟的設計是符合安全要求的。

參考文獻：

[1]張鍶戩，劉薊南，張千宇. 一種小型耕作松土機械的設計與分析[J].南方農(nóng)機，2019，50（04）

[2]梁新忠，朱松，何彥平.雙軸分層切土旋耕機旋耕部件的設計[J].農(nóng)業(yè)裝備技術. 2020（02）

[3]李冬梅.論設施農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展中存在的問題及對策[J].農(nóng)機使用與維修. 2014（10）

[4]馬計龍.農(nóng)業(yè)用深耕松土機開發(fā)試驗[J].南方農(nóng)機. 2018（24）

[5]王世海.基于ANSYS workbench的構架結構優(yōu)化分析[J]. 科技視界. 2021（15）

作者簡介：張建平（1985-3-1）男、漢族 遼寧海城市人 沈陽農(nóng)業(yè)大學碩士、實驗師、研究方向：農(nóng)業(yè)裝備工程