基于ANSYS的綠葉蔬菜自動化漂浮栽培系統(tǒng)部件靜力學(xué)分析

管天源 申允德 繆熠楠 董旭華 顧佳飛 鄭道放

摘 要：全自動的機(jī)械化移栽技術(shù)能夠提高工作效率、降低人工勞動強(qiáng)度、提高蔬菜產(chǎn)量、縮短生育期，是蔬菜移栽機(jī)械發(fā)展的必然趨勢。目前，我國雖已研制有半自動化的蔬菜移栽機(jī)械，但受人工喂苗作業(yè)速度和強(qiáng)度以及生產(chǎn)勞動力短缺的限制，效率一直無法提高。本文根據(jù)對大棚蔬菜種植的技術(shù)特點(diǎn)和農(nóng)藝要求的研究，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，作業(yè)效率高的全自動化育苗移栽機(jī)。首先利用Pro/E進(jìn)行三維建模和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；然后利用ANSYS對關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析；接著將移栽機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS產(chǎn)生虛擬樣機(jī)，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；本文主要討論關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；ANSYS靜力學(xué)分析；自動化

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

上個世紀(jì)以來，人們解決了糧食短缺等溫飽問題，但隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對食物及其營養(yǎng)的追求更加精益求精。由于蔬菜中含有人類每天必須攝入的各種營養(yǎng)元素，所以蔬菜的供應(yīng)需求不斷加大。目前我國蔬菜的種植仍然處于田間播種為主，但是在部分發(fā)達(dá)地區(qū)，采用育苗栽植等作物方式的規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，農(nóng)作物種植方式的機(jī)械化、自動化技術(shù)研究成為國家重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

移栽技術(shù)和直播相比，雖然有著費(fèi)工費(fèi)時的缺陷，但是其所帶來的優(yōu)勢卻前所未有。移栽可以有效的避開冬天的低溫、雪霜的凍結(jié)等氣候影響，大大提高幼苗的成活率。另外，還能延長蔬菜的生長周期、改善作物的品質(zhì)，使作物的產(chǎn)量和質(zhì)量均得到顯著地提高。

上個世紀(jì)20年代初期，歐美和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)就開始著手研制簡易的移栽機(jī)械，當(dāng)時主要應(yīng)用在蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物的種植領(lǐng)域，后期發(fā)展成為大部分糧食作物諸如水稻、玉米的移栽機(jī)器。

1 氣缸滑塊與導(dǎo)桿的靜力結(jié)構(gòu)分析

1.1 導(dǎo)入模型與劃分網(wǎng)格

氣缸滑塊的材料為不銹鋼3Cr13，導(dǎo)桿的材料為鋁合金。不銹鋼 材料的彈性模量 ，泊松比 ，密度為。鋁合金材料的彈性模量E=71.7GPA，泊松比u=0.33，密度為 2.81g/cm3。將Pro/E建立好的氣缸滑塊與導(dǎo)桿的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)合其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，仍然采用自動網(wǎng)格劃分方法，通過幾何模型來自動選擇合適的網(wǎng)格劃分方法。

1.2 添加載荷與約束

無桿氣缸在運(yùn)行時，滑塊處于固定狀態(tài)，氣缸上下運(yùn)動，主要承受機(jī)械手結(jié)構(gòu)的自重。如圖1所示，將滑塊的兩個側(cè)面施加約束，在氣缸的端面添加載荷，F(xiàn)=200N。

1.3 分析結(jié)果及強(qiáng)度校核

上述可知無桿氣缸的滑塊的材料為鋁合金，根據(jù)材料性質(zhì)可知，其屈服極限為 。根據(jù)實(shí)際情況，取安全系數(shù)為n=2，計(jì)算許用應(yīng)力 。其設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。如圖2所示為氣缸滑塊與導(dǎo)桿模型的應(yīng)變分布云圖，圖中最大應(yīng)變?yōu)?.0835 mm。

2 小結(jié)

本章主要通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對育苗移栽機(jī)的關(guān)鍵零部件無桿氣缸進(jìn)行線性靜力結(jié)構(gòu)分析。其承受載荷較大，危險(xiǎn)性最強(qiáng)。靜力分析的流程是：

（1）導(dǎo)入模型和網(wǎng)格劃分；

（2）添加約束和載荷；

（3）結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度校核。

經(jīng)過ANSYS Workbench的有限元分析，結(jié)果顯示各個零件的強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。

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