基于ANSYS的耕地裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

趙殿明

(吉林工程職業(yè)學(xué)院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的提高，種植前需對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到促進(jìn)農(nóng)作物良好種植的目標(biāo)。用于土壤碎土、翻新、施肥等功能于一體的耕作裝置近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，其主要通過(guò)耕地部件主動(dòng)旋轉(zhuǎn)與土壤相互作用實(shí)現(xiàn)入土旋耕。經(jīng)查閱資料得知：國(guó)外針對(duì)此類耕地機(jī)具研究較早，其多數(shù)采用拖拉機(jī)提供動(dòng)力源。圖1為某型號(hào)耕地機(jī)的外形圖。

圖1 耕地機(jī)外形簡(jiǎn)圖Fig.1 The contour diagram of the cultivated land machine

由圖1可知：其主要構(gòu)件包括機(jī)架、傳動(dòng)裝置、刀輥、擋土罩及平地拖板等，各部件間形成有機(jī)的整體進(jìn)行耕耘作業(yè)。有限元技術(shù)在各行業(yè)得到廣泛而有效的應(yīng)用，為不斷提升農(nóng)林田間耕地裝置的碎土平整能力，筆者利用ANSYS對(duì)耕地裝置進(jìn)行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從改善耕地裝置的實(shí)用性、高效性方面展開(kāi)討論。

1 工作原理及特點(diǎn)

其工作原理可簡(jiǎn)要概述為：根據(jù)耕地機(jī)執(zhí)行部件的作業(yè)原理示意圖(見(jiàn)圖2)，在牽引裝置(拖拉機(jī))提供足夠的動(dòng)力下，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸將其傳遞至耕地裝置的刀片位置，與待耕耘土壤進(jìn)行深度接觸，通過(guò)耕地執(zhí)行部件旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)同步進(jìn)行，對(duì)土壤進(jìn)行翻耕。

圖2 耕地裝置作業(yè)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of operation principle of cultivated land device

此過(guò)程可以融入施肥等輔助田間作業(yè)，通過(guò)覆土部件將舊土與新土粉碎混合，一系列的復(fù)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)土壤的均勻耕耘，為下一步科學(xué)播種提供良好的土壤環(huán)境；同時(shí)，耕地裝置不同部件的協(xié)調(diào)配合可為其作業(yè)效率助力。表1為耕地機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，可見(jiàn)在保證軸功率及強(qiáng)度一定的條件下，刀片的類型與數(shù)量對(duì)于耕耘效率起著決定性作用。

表1 耕地機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Main technical parameter design of the cultivated land machine

2 耕地裝置設(shè)計(jì)

2.1 理論模型

耕地機(jī)在進(jìn)行耕地作業(yè)時(shí)，考慮整個(gè)耕耘過(guò)程的有效性，將切土、拋土、傳動(dòng)、行進(jìn)等動(dòng)作因素納入，利用有限元分析理論和優(yōu)化基本原理，建立理論模型，即

MinF(X)=(x1,x2,…,xN)

FindX=(x1,x2,…,xN)T,X∈RN

基于設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)三者之間的優(yōu)化關(guān)系，采用最佳迭代與數(shù)值求解方法，得出所需目標(biāo)值。

耕地機(jī)核心裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化流程如圖3所示。由圖3可知：為獲取良好的ANSYS模擬試驗(yàn)效果，一方面，結(jié)合靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)符合工藝要求的耕地裝置幾何參數(shù)并進(jìn)行細(xì)節(jié)局部調(diào)整，使其更加符合有限元分析的環(huán)境；另一方面，網(wǎng)格的劃分技巧和施加載荷的實(shí)際性決定耕地機(jī)整體設(shè)計(jì)優(yōu)化的可行度，收斂的速度與合理性作為其判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 耕地機(jī)核心裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化流程圖Fig.3 Design optimization flow chart of core equipment of the cultivated land machine

2.2 三維建模

根據(jù)耕地裝置刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡(見(jiàn)圖4)，可知其端點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)符合方程，則

(1)

進(jìn)一步得出旋耕裝置的刀片運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

從而得出刀刃入土切削速度為

(3)

式中R—耕地機(jī)的刀輥回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

v—耕地機(jī)的作業(yè)行進(jìn)速度(km/h)；

ω—耕地機(jī)的刀輥回轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

t—時(shí)間函數(shù)(s)。

利用耕地機(jī)的刀片速比λ的定義，得

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)，變換得出

(5)

利用三維建模軟件UG對(duì)耕地裝置關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)優(yōu)化，建立旋耕刀片物理模型，模型建立應(yīng)便于后期進(jìn)行ANSYS數(shù)值模擬分析，對(duì)細(xì)小部件的連接、倒角等予以科學(xué)簡(jiǎn)化。

圖4 耕地裝置刀片運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.4 Movement trajectory of the blade of the cultivated land machine

3 有限元分析

3.1 條件設(shè)置

三維物理模型與ANSYS軟件進(jìn)行有效對(duì)接后，給出耕地機(jī)的刀齒有限元分析過(guò)程。經(jīng)綜合考慮后，網(wǎng)絡(luò)劃分采用六面體自由網(wǎng)格智能換分，與土壤接近的部位采用手動(dòng)高精度劃分，以確保有限元求解與迭代的精準(zhǔn)性，共實(shí)現(xiàn)劃分單元數(shù)48 970，節(jié)點(diǎn)數(shù)59 332。

在上述改進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)此類型耕地機(jī)執(zhí)行部件進(jìn)行ANSYS模擬分析，擬試驗(yàn)的條件需滿足耕地作業(yè)要求。有限元試驗(yàn)部件的材料屬性設(shè)置，主要從靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)承載兩個(gè)方向進(jìn)行，如表2所示。

表2 有限元試驗(yàn)部件材料屬性設(shè)置Table 2 Material properties setting of the finite element test component

3.2 載荷約束

建立作用刀齒與待耕耘土壤之間的載荷關(guān)系，設(shè)置土壤為方正靜止模型，同時(shí)給定與田間土壤水分、堅(jiān)實(shí)度、植被覆蓋率等基礎(chǔ)信息相一致的參數(shù)；設(shè)置耕地裝置的刀齒為運(yùn)動(dòng)模型，將各邊界條件設(shè)置為無(wú)邊界滑移，從刀齒的施加載荷端給定旋耕土壤的作用力。由圖5可知：刀齒在入土的刀尖部位所承受載荷最大，約為1 810N，對(duì)比選定的耕地裝置刀齒材料，剛度滿足載荷要求。

A.施加載荷為1 810N圖5 耕地機(jī)刀齒施加載荷示意圖Fig.5 Schematic diagram of the load on the blade of the cultivated land machine

3.3 試驗(yàn)分析

進(jìn)行ANSYS數(shù)值仿真靜態(tài)和模態(tài)試驗(yàn)，多次對(duì)有限元的預(yù)處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，考慮耕地裝置刀具作業(yè)過(guò)程所受阻力的多變性，得出耕地裝置刀齒位移云圖(見(jiàn)圖6)和耕地裝置刀齒應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖7)。由圖6可知：旋耕作業(yè)過(guò)程中位移最大處出現(xiàn)在耕地裝置的刀齒齒尖部位，應(yīng)著重加強(qiáng)該部位的強(qiáng)度要求。

圖6 耕地裝置刀齒位移云圖Fig.6 The displacement cloud map of the knife tooth on the cultivated land machine

圖7 耕地裝置刀齒應(yīng)力云圖Fig.7 The stress cloud map of the knife tooth on the cultivated land machine

由圖7可知：該耕地裝置在旋耕作業(yè)過(guò)程中所承受的最大應(yīng)力可達(dá)1.08×108Pa。多次調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化后的應(yīng)力云圖可表明：應(yīng)力集中位置有所轉(zhuǎn)移，且應(yīng)力集中范圍逐步變?。粚?duì)于與耕地裝置箱架軸連接處易發(fā)生耕地刀齒折斷的現(xiàn)象，通過(guò)參考應(yīng)力值，改善該部位的材料特性，使得此耕地裝置刀齒具有更加堅(jiān)固的作業(yè)強(qiáng)度，并有效避免刀齒與機(jī)軸產(chǎn)生共振，參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。

表3為耕地機(jī)主要性能指標(biāo)優(yōu)化前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表3可知：通過(guò)數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換后選取4項(xiàng)指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，刀片的尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，耕地裝置的旋耕入土深度保持在18cm左右，土壤蓬松度滿足10%～40%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，平均地表平整度由改進(jìn)前的1.75cm提高至1.82cm，整個(gè)耕地裝置的工作穩(wěn)定性由87.75%提升至92.85%左右。

表3 耕地機(jī)主要性能指標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Optimization test data of main performance index of the cultivated land machine

4 結(jié)論

1)在深入理解耕地機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了耕地裝置與土壤相互作用的理論模型，并制定了科學(xué)化的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，明確耕地裝置的刀片作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡與入土特性，并展開(kāi)有限元分析。

2)通過(guò)施加與實(shí)際場(chǎng)合較一致的載荷，對(duì)耕地裝置的旋耕核心刀片結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS分析，可得出設(shè)計(jì)刀齒在與土壤相互作用過(guò)程中的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖，并根據(jù)云圖適時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整優(yōu)化，避免了刀齒作業(yè)過(guò)程中的應(yīng)力集中區(qū)。

3)利用快速的三維建模技術(shù)和ANSYS分析技術(shù)，對(duì)應(yīng)用于田間耕耘的耕地機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，優(yōu)化后的整機(jī)工作穩(wěn)定性能提升5.1%，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了耕地裝置的優(yōu)化改進(jìn)效率，可為其他裝置改進(jìn)提供參考。