深松鏟柄的有限元分析與優(yōu)化

盧祺安軍鋒王安郝建軍

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、河北省農(nóng)業(yè)信息中心

深松鏟柄的有限元分析與優(yōu)化

盧祺1安軍鋒2王安1郝建軍1

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、河北省農(nóng)業(yè)信息中心

深松鏟作為深松機(jī)具的主要部件，其品質(zhì)直接影響深松效果乃至整機(jī)的作業(yè)性能。應(yīng)用三維參數(shù)化建模軟件INVENTOR對(duì)市售主流深松鏟柄進(jìn)行了三維實(shí)體造型，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，其強(qiáng)度、剛度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但鏟柄下端存在細(xì)微變形，且鏟柄與鏟尖連接處存在應(yīng)力集中情況。針對(duì)上述分析結(jié)果，對(duì)鏟柄進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

深松鏟柄；INVENTOR；ANASYSWORKBENCH；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國(guó)許多地區(qū)連續(xù)多年用旋耕機(jī)進(jìn)行淺翻、旋耕作業(yè)，致使耕作層與心土層之間形成了一層堅(jiān)硬、封閉的犁底層[1]，又稱(chēng)“亞表土層”。對(duì)于耕作土壤來(lái)說(shuō)，具有不太厚的犁底層對(duì)保持水分養(yǎng)分是很有益的，但當(dāng)犁底層過(guò)厚（20cm）[2，3]、堅(jiān)實(shí)，會(huì)影響作物根系下伸及土壤通氣透水。解決方法之一即深松作業(yè)。深松作業(yè)時(shí)土壤被深松鏟陸續(xù)抬起后又逐步回落到原位，通過(guò)土壤的上下移動(dòng)以及撕裂、擠壓和擾動(dòng)作用，有效破壞犁底層，從而改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力。深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，在深松作業(yè)時(shí)承受復(fù)雜、隨機(jī)變化的沖擊載荷，是深松機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)[4]。傳統(tǒng)的類(lèi)比設(shè)計(jì)方法是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)深松鏟的結(jié)構(gòu)和尺寸以及載荷的設(shè)計(jì)都不夠精確。有限元法是一種在工程中常用的解決復(fù)雜問(wèn)題的近似數(shù)值分析方法，其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度上有較高的計(jì)算精度。本文對(duì)國(guó)標(biāo)深松鏟柄進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，同時(shí)對(duì)其鏟柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 深松鏟柄受力分析

深松工作部件可以分為兩部分：一是傾斜AB斜面（具有固定鏟尖、破土和起土的作用，能夠減少深松阻力）；二是上部垂直部分BC（固定深松鏟作用）。其受力情況如圖1所示。

圖1 鏟柄受力圖

工作時(shí)，機(jī)具以速度V前進(jìn)，與水平面成α角的斜面AB相當(dāng)于一個(gè)單楔面。土壤對(duì)其作用力FN垂直于AB面，近似作用于AB段中點(diǎn)。行進(jìn)中，有一個(gè)沿AB面指向后方的摩擦力f，力FN與力f合成阻力R。阻力可以分解為水平分力Rx和垂直分力Ry，垂直分力Ry是作業(yè)時(shí)工作部件抬起耕層土壤，起到松動(dòng)耕層的有用阻力與其同時(shí)產(chǎn)生的水平分力Rx為工作時(shí)牽引阻力的一個(gè)組成部分。

除上述AB斜面所受阻力外，尚有BC段工作阻力FP。阻力FP與前面的水平分力Rx合成了工作部件的總牽引力，而阻力FP與合成阻力R合成了工作部件的總阻力[5，6]。

2 深松鏟柄的三維建模與有限元分析

2.1 鏟柄的三維模型

圖2 深松鏟柄三維模型

由農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中輕型深松鏟柄的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可知[7]，整個(gè)鏟柄的長(zhǎng)約600mm，鏟柄與鏟刃的上部約為310mm，下部約為290mm，鏟柄厚度為18mm。連接鏟尖的部分與水平方向成23度角，這樣是為了確保深松鏟在入土后鏟柄部分仍然具有相當(dāng)?shù)娜胪邻厔?shì)。深松產(chǎn)柄采用65Mn制造，其材料屬性為：楊氏模量197GPa，泊松比0.23，質(zhì)量密度7.81×103kg·m-3，屈服強(qiáng)度785MPa，抗拉強(qiáng)度980GPa。INVENTOR參數(shù)化設(shè)計(jì)后的鏟柄三維模型如圖2所示。

2.2 單元?jiǎng)澐?/p>

INVENTOR與ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫連接，通過(guò)兩者之間的接口將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH工作界面中，采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形狀為8個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體，SMART網(wǎng)格。如圖3，其鏟柄模型節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)1294個(gè)，單元數(shù)為591個(gè)。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

2.3 鏟柄的材料定義、載荷及邊界材料的添加

按照65Mn的材料屬性，在WORKBENCH中添加材料。然后在三維模型上添加載荷和邊界條件（圖4）：載荷按照沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)牛彥通過(guò)土槽實(shí)驗(yàn)分析，確定深松鏟作業(yè)載荷，其鏟尖受力平均水平力為1800N和平均垂直力為2870N[4]；為了模擬深松鏟真實(shí)工作情況，故在鏟柱的兩個(gè)螺栓孔施加約束，限制3個(gè)移動(dòng)自由度以及2個(gè)垂直于孔軸線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度[8]。

圖4 65Mn載荷及邊界材料的添加

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

在WORKBENCH中對(duì)鏟柄模型進(jìn)行有限元分析（圖5）。

圖5 深松鏟柄有限元分析結(jié)果

（1）由圖5中（a）圖可知，等效應(yīng)力最大值在鏟柄底部，其最大值為104.88MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。

（2）由圖5中（b）圖可知，鏟柄上部位置的應(yīng)力較大，最大主應(yīng)力位于鏟柄與鏟尖連接處，其值為84.254MPa。其最大應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，即結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[9]。

（3）由圖5中（c）圖可知，最小主應(yīng)力的最大值同樣位于鏟柄與鏟尖連接處，其最大值為5.1695MPa。

（4）由圖5中（d）圖可知，鏟柄的最大變形處也位于鏟柄和鏟尖連接處，最大變形值為0.50116mm，越接近后部變形越小。

（5）由圖5中（e）圖可知，其安全系數(shù)均大于1，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

3 優(yōu)化分析

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，鏟柄下端存在細(xì)微變形量，鏟柄與鏟尖連接處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。故應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加鏟柄與鏟尖連接處的寬度或厚度[10]；增加鏟柄下端過(guò)渡圓角半徑；同時(shí)為節(jié)省材料，在滿(mǎn)足耕深的要求下，可適當(dāng)減少鏟柄垂直部分的長(zhǎng)度。

將鏟柄與鏟尖連接處厚度由12mm變?yōu)?7mm；過(guò)渡圓角由R10變?yōu)镽20；在滿(mǎn)足耕深的條件下，將鏟柄垂直部分減少50mm。對(duì)優(yōu)化后的鏟柄重新建模，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，結(jié)構(gòu)為：等效應(yīng)力最大值72.058MPa，相比原來(lái)約降低31%；最大主應(yīng)力最大值變?yōu)?9.847MPa，相比原來(lái)約降低41%；最小主應(yīng)力最大值變?yōu)?.1185MPa，相比原來(lái)約降低59%；變形量變化不太明顯；安全系數(shù)最小值變?yōu)?0.849，相比原來(lái)約增加31%；質(zhì)量相比原來(lái)減少7.7%。通過(guò)優(yōu)化鏟柄結(jié)構(gòu)，除變形量外，其各項(xiàng)參數(shù)相比原來(lái)變化顯著，提高了鏟柄的性能。

4 結(jié)論

深松鏟作為受力部件，用傳統(tǒng)的方法校核并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其過(guò)程過(guò)于復(fù)雜繁瑣。通過(guò)INVENTOR建立三維模型，給其模型添加材料屬性后，通過(guò)ANASYSWORKBENCH進(jìn)行有限元分析，可很快得出應(yīng)力、變形、最小安全系數(shù)等參數(shù)。通過(guò)多次建模與分析的反復(fù)迭代，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿(mǎn)意的深松鏟柄的三維模型，簡(jiǎn)化了優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

[1]熊波,楊立國(guó),李傳友等.土壤深松應(yīng)用推廣試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程,2013(S2)：85～90+94.

[2]孫士鵬,高峰.玉米種植技術(shù)要點(diǎn)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2014 (07)：3～4+6.

[3]于程.2015農(nóng)機(jī)發(fā)展新方向[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2015(05)：39.

[4]牛彥,王瑞麗,毛昆.基于COSMOS/works的深松鏟強(qiáng)度有限元分析[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(03)：195～197+202.

[5]王微.中耕分層深松技術(shù)研究及深松部件的有限元分析[D].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[6]丁永凱,丁健偉.深松部件的工作性能分析及其應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,1990(02)：41～47.

[7]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[8]王宏立,張偉.基于Pro/E和ANSYS的深松鏟有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(12)：33～36.

[9]趙大為.1S-2型深松鏟柄的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2010(10)：38～40.

[10]陳伯雄,董仁揚(yáng),張?jiān)骑w.AutodeskInventorProfessional 2008機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)教程[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2008.