馬鈴薯挖掘鏟的參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

鐘壽洋，張德暉，張 翔

（福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

馬鈴薯已成為我國(guó)繼稻米、小麥、玉米之后的又一主糧，但我國(guó)馬鈴薯收獲的機(jī)械化水平低，特別是適用于丘陵地區(qū)的馬鈴薯收獲機(jī)還很少，大多還是人工挖掘[1,2].挖掘鏟是馬鈴薯收獲機(jī)的重要部件之一，它由鏟片及鏟架等組成，其主要功能為挖掘薯塊，并將薯塊輸送至分離裝置[3].挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)具的挖掘效果影響很大，工作時(shí)既要挖掘出所有薯塊，將薯塊順利輸送至分離部件，又要盡量降低機(jī)具的動(dòng)力消耗[4]，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合要求的挖掘鏟需進(jìn)行大量田間試驗(yàn)及修改，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，挖掘鏟的每一次改進(jìn)都需重新進(jìn)行人工建模及有限元分析.因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)機(jī)的仿真中，通過(guò)VB、SolidWorks、ANSYS軟件及其二次開發(fā)模塊設(shè)計(jì)出馬鈴薯挖掘鏟參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有便捷的用戶界面，它可以根據(jù)用戶所輸入的尺寸參數(shù)對(duì)挖掘鏟進(jìn)行參數(shù)化三維建模，以及根據(jù)用戶所輸入的材料特性及載荷等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化有限元分析，并對(duì)挖掘鏟進(jìn)行自動(dòng)裝配，該系統(tǒng)極大的提高了挖掘鏟設(shè)計(jì)和改進(jìn)的效率.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

馬鈴薯挖掘鏟參數(shù)化系統(tǒng)包括參數(shù)化建模、參數(shù)化有限元分析及自動(dòng)裝配模塊.系統(tǒng)通過(guò)SolidWorks進(jìn)行建模及裝配，采用ANSYS進(jìn)行有限元分析，并利用VB編制用戶窗體.用戶在建模窗體中輸入相應(yīng)的尺寸參數(shù)，系統(tǒng)便會(huì)驅(qū)動(dòng)SolidWorks建立對(duì)應(yīng)的馬鈴薯挖掘鏟的零件模型，用戶在有限元分析窗體中輸入相應(yīng)的材料參數(shù)，系統(tǒng)便驅(qū)動(dòng)ANSYS對(duì)零件進(jìn)行有限元分析，并顯示分析結(jié)果.零部件設(shè)計(jì)完成，便可通過(guò)建模窗體自動(dòng)完成建模.其流程圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 挖掘鏟的參數(shù)化建模

Solidworks向用戶提供了API函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，用戶在Solidworks中的所有操作都可以通過(guò)編輯API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化[5].API函數(shù)通過(guò)聲明和實(shí)例化可以被VB所調(diào)用.本文通過(guò)挖掘鏟鏟片的參數(shù)化來(lái)介紹參數(shù)化建模過(guò)程.

在VB中創(chuàng)建鏟片的參數(shù)化建模窗體，如圖2所示，將其鏟厚、鏟長(zhǎng)、鏟寬等尺寸參數(shù)作為輸入內(nèi)容，并將鏟片的結(jié)構(gòu)示意圖顯示在窗口中，方便用戶設(shè)計(jì)時(shí)參考.

圖2 鏟片參數(shù)化建模窗體

為了實(shí)現(xiàn)VB與SolidWorks的連接，必須先對(duì)SolidWorks API的最高層對(duì)象及文檔對(duì)象進(jìn)行聲明和實(shí)例化，具體代碼如下：

Set swApp CreateObject("sldworks.appli cation")//對(duì)SolidWorks API的最高層對(duì)象

Set part=swapp.newpart//創(chuàng)建新文檔

利用SolidWorks API函數(shù)編制草圖及特征命令，并提取其中的尺寸特征，通過(guò)VB對(duì)其尺寸進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，代碼如下：

Dim H as Double//申明變量類型

H=CDbl(txtH.Text)/1000//對(duì)變量單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("草圖1","SKETCH",0,0,0,False,0,Nothing,0)//選取草圖

Set myFeature=Part.FeatureManager.FeatureExtrusion2(True,False,False,0,0,H,……)//拉伸命令

……

輸入相應(yīng)的尺寸參數(shù)，點(diǎn)擊創(chuàng)建，即可在SolidWorks中創(chuàng)建出鏟片模型，如圖3所示：

圖3 鏟片參數(shù)化模型

3 挖掘鏟的參數(shù)化有限元分析

ANSYS為用戶提供了二次開發(fā)模塊[6]，用戶可以首先建立鏟片、鏟架等的log文件，然后利用APDL語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行編譯，并通過(guò)VB對(duì)APDL命令流進(jìn)行調(diào)用，對(duì)零件的單元類型、彈性模量等變量進(jìn)行參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘鏟的參數(shù)化分析，最后通過(guò)VB的圖像控件顯示有限元分析結(jié)果.本文通過(guò)鏟片的分析介紹參數(shù)化有限元分析的過(guò)程.

鏟片的有限元分析用戶窗體如圖4所示，窗體中有單元類型、網(wǎng)格精度等下拉框及彈性模量等用戶輸入文本框.

圖4 鏟片參數(shù)化分析窗體

為了能使VB調(diào)用ANSYS，首先要通過(guò)shell函數(shù)來(lái)建立VB與ANSYS的連接，代碼如下：

Dim dy

dy=Shell("C:Program Files……ANSYS.exe-b-p ane3fl-i shi.txt-o sh.log",1)

其中 C:Program Files……ANSYS.exe為ANSYS的安裝目錄.-b表示為設(shè)置ANSYS的處理模式為Batch模式.-p 表示為設(shè)置ANSYS為Multiphsics模塊產(chǎn)品特征代碼，變量名為ane3fl.-i為所輸入的APDL文件，-o表示輸出的文件，此處為*.log文件.

用戶可以根據(jù)需要編制常用的APDL命令流，如單元類型、材料屬性等，部分命令流如下：

et,1,solid164//定義單元類型

mp,ex,1,2.1e5!Q235//定義定義彈性模量及材料特性

mp,nuxy,1,0.3//定義泊松比

mp,dens,1,7.81e-3//定義密度

……

在分析的過(guò)程中需通過(guò)VB的timer控件對(duì)ANSYS的分析進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷[7]，如果有file.err文件產(chǎn)生，則說(shuō)明VB的shell函數(shù)對(duì)ANSYS的調(diào)用成功.用戶窗口中跳出“ANSYS分析完成”通知用戶.其關(guān)鍵代碼如下：

分析完成后，用圖形保存命令將圖形保存至到工作目錄中，并利用VB圖像控件的Loadpicture函數(shù)將應(yīng)力云圖顯示在VB窗口中，如圖5所示.從圖中我們可以看到鏟片的最大應(yīng)力在鏟片與鏟架連接的地方，為195MPa，小于Q234的屈服極限強(qiáng)度233MPa，因此，該尺寸參數(shù)可以做為鏟片的設(shè)計(jì)參數(shù).在設(shè)計(jì)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不夠，則可以通過(guò)修改鏟片的尺寸參數(shù)并在系統(tǒng)中快速建模并進(jìn)行有限元分析.

圖5 鏟片應(yīng)力分析云圖

4 挖掘鏟的參數(shù)化裝配

挖掘鏟的參數(shù)化裝配需利用SolidWorks API函數(shù)的選擇與遍歷面的技術(shù)將多個(gè)零件按對(duì)應(yīng)的配合關(guān)系裝配在一起[8].挖掘鏟主要包括鏟架、鏟片以及沉頭螺栓.

在自動(dòng)裝配之前首先需用swApp.ActiveDoc來(lái)激活SolidWorks文檔，并通過(guò)swApp.NewAssembly()函數(shù)新建裝配體文檔，然后再利用OpenDoc6()函數(shù)將需要插入的零件放至內(nèi)存.具體代碼如下：

接下來(lái)利用函數(shù)AddComponent4()將加載后的零件通過(guò)添加到當(dāng)前裝配體中，并且通過(guò)Add-Mate3()函數(shù)添加約束關(guān)系，使兩零件約束完全，關(guān)鍵代碼如下：

自動(dòng)生成的裝配體如圖6所示，通過(guò)SaveAs3()函數(shù)將裝配體保存至指定的文件夾中.

longstatus=swModel.SaveAs3(＂F:canshuhuazhuangpeiti.SLDASM＂,0,2)

圖6 自動(dòng)裝配模型

5 結(jié)論

通過(guò)開發(fā)馬鈴薯挖掘鏟的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使用戶在系統(tǒng)中輸入相應(yīng)的尺寸參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘鏟的參數(shù)化建模并進(jìn)行自動(dòng)裝配；輸入相應(yīng)的材料參數(shù)等便可以對(duì)挖掘鏟進(jìn)行自動(dòng)有限元分析并顯示分析結(jié)果.如用戶發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，則可修改相應(yīng)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)快速重新建模及分析.通過(guò)此系統(tǒng)，可以減少建模及有限元分析所消耗的時(shí)間，提高了挖掘鏟的設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)者可以更加專注于田間試驗(yàn)及挖掘鏟的改進(jìn).

〔1〕史明明,魏宏安,劉星,等.國(guó)內(nèi)外馬鈴薯收獲機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(10):213-217.

〔2〕王公仆,蔣金琳,田艷清,等.馬鈴薯機(jī)械收獲技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014(1):11-15.

〔3〕張建.4M-2型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.

〔4〕李雷霞,賈晶霞,李建東,等.土壤參數(shù)與馬鈴薯收獲機(jī)牽引阻力的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(10):125-128.

〔5〕劉淼淼,惠忠文,郝萬(wàn)東.基于 VisualC++6.0 的SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2010（4）:55-57.

〔6〕龔曙光,謝桂蘭,黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

〔7〕黃啟斌,楊曉翔,鄧道林.基于 VB的 ANSYS二次開發(fā)及其在關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].信息與技術(shù),2015,44(1):149-151.

〔8〕易炳剛,汪雪.基于 VB的 SolidWorks自動(dòng)裝配技術(shù)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2013(1):94-96.