覆膜控溫移動苗床吊噴管件有限元分析與研究

武漢市農業機械化科學研究所 盧澤民 杜錚

中國長江動力集團有限公司 王敏

覆膜控溫移動苗床吊噴管件有限元分析與研究

武漢市農業機械化科學研究所 盧澤民 杜錚

中國長江動力集團有限公司 王敏

覆膜控溫移動苗床的吊噴管件，相對于其材料厚度尺寸而言，屬于大跨度柔性結構，因此在進行結構設計時，除考慮強度因素外，重點要校核結構的剛度。本文利用ansys有限元分析方法，對移動苗床的吊噴管件進行了靜力學分析，研究了受力狀態下管件的應力和變形，并通過實測試驗對其剛度進行了比較和分析，保證了使用的安全性和可靠性。

吊噴管件；ansys；應力；變形

0 引言

一種覆膜控溫移動苗床，是基于移動苗床的溫室“小環境”育苗解決方案，即通過移動苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環境，實現節能降耗；進一步利用苗床覆膜機自動完成塑料薄膜的覆蓋、卷收功能，解放勞動力、提高作業效率。但在封閉“小環境”拱棚裝置中進行育苗的同時，由于拱棚結構上端的卷膜和支架遮擋，無法使用溫室原有的自動噴灌系統進行降溫加濕灌溉；利用人工灌溉進行降溫和加濕，用工成本過高、勞動強度過大，且灌溉不均勻。

為了克服現有的技術不足，本文提出了一種覆膜控制移動苗床吊噴灌溉系統。在移動苗床內，即拱棚裝置中吊裝灌溉專用毛管和微噴霧化噴頭。由于灌溉專用毛管采用PE軟管，下面擺放穴盤育苗不能加筋固定，故需要管件與PE軟管進行連接加固。管件兩端固定間距一般為4m，相對于其材料厚度尺寸而言，屬于大跨度柔性結構，且管件受到載荷的影響，因此需要分析其強度和剛度，驗算使用的安全性和可靠性[1]。

1 吊噴管件的設計

覆膜控溫移動苗床主要由覆膜和控溫2部分組成，覆膜部分通過管狀電機的正反轉對雙層塑料薄膜進行卷膜和覆膜，控溫部分通過電熱膜的加熱對苗床進行加熱。當雙層塑料薄膜覆蓋在苗床拱狀支架時，形成一封閉溫室“小環境”，通過電熱膜加熱保溫，可以進行育苗，如圖1所示。

移動苗床覆膜部分由一片片支架組裝而成，每片支架間隔4m，支架上安裝有擋板，PE軟管通過擋板橫穿移動苗床，在PE軟管上安插微噴霧化噴頭，形成灌溉專用管網。由于PE軟管輕軟，間距大，PE軟管自重、微噴霧化噴頭的重量以及灌溉后管道內充水，會對PE軟管受力和變形產生很大的影響，故需要采用管件進行連接加固。管件和PE軟管一樣，沿支架擋板橫穿移動苗床，與軟管固定連接，承受微噴霧化噴頭的重量、PE軟管自重和灌溉后管道內充水重量以及管件自重的載荷。由于管件長度和安裝的限制，管件采用和支架等距的間距，4m一段，固定在擋板上，如圖2所示。

圖1 覆膜控溫移動苗床實物圖

圖2 覆膜控溫移動苗床結構示意圖

2 吊噴管件的分析與研究

2.1 吊噴管件的選擇

由于移動苗床支架結構間距4m，管件安裝在支架擋板上，管件也采用4m一段。覆膜控溫移動苗床成本低、結構緊湊、拆卸便捷、可靠耐用，美觀輕便[2]，符合輕量化設計，故管件厚度不宜太厚，采用1.5mm。同樣截面，方管的抗彎扭能力優于圓管，選擇方管為宜。方管和PE軟管固定連接，PE軟管為外徑20的圓管，宜采用20的方管。綜上所述選擇管件的截面尺寸為方管20×20×1.5（mm），長度為4m。

2.2 有限元模型建立

通常，在整個有限元分析求解過程中，最重要的環節是有限元模型的建立。一般包括選擇單元類型，根據單元類型選擇定義實常數或者截面類型，定義材料屬性、幾何建模、網格劃分、添加約束和載荷[3]等。

管件承受靜力結構載荷，選擇三維結構梁單元beam189[4]，管件為方管，在梁工具欄中選擇方管截面形式，并設計好截面尺寸。管件材料為Q235，從材料手冊中查得其彈性模量E=200GPa，泊松比=0.3，材料密度為7800kg/m3。因為吊噴管件結構形式較為簡單，一般ansys有限元軟件所提供的幾何建模工具便能完成。網格劃分時，單元的多少影響運算速度和結果精度，針對beam189單元，管件長為4m，控制劃分的精度，使用Smartsize進行自由網格劃分，模型共劃分為201個節點，100個單元，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.3有限元的求解和分析

各種物理場自由度約束，經常定義為零或者非零值，自由度約束為零時表示固定約束，約束為非零時表示該自由度具有一定的強制自由度約束。在結構分析中，結構自由度是指UX、UY、UZ、ROTX、ROTY和ROTZ6個自由度。管件與支架擋板固定，自由度約束為零，在管件兩端節點上約束6個自由度，即ALLDOF，如圖4所示。

圖4 添加約束

對管件施加載荷，承受微噴霧化噴頭的重量、PE軟管自重和灌溉后管道內充水重量以及管件自重的3部分載荷組成。微噴霧化噴頭共5件，相當于集中力載荷加載在管件5點處；PE軟管自重和灌溉后管道內充水重量則相當于均布載荷加載在整個管件上；管件自重通過ansys軟件中自帶的重力 Gravity選項加載設置。荷載加載完成后，如圖5所示。

圖5 施加載荷

執行求解，在ansys中選擇靜力學分析static選項，進行靜力學分析，經過snsys分析計算[5]，最后，得到管件的等效變形云圖和等效應力云圖，如圖6和7所示。

圖6 等效變形云圖

圖7 等效應力云圖

從圖6等效變形云圖中可以得出，管件在中點處變形最大，最大等效變形為31.4mm，小于設計變形量[]=40m m。從圖7等效應力云圖中可以得出，管件在兩端應力最大，最大等效應力為 126MPa，遠小于許用應力[]=235MPa。從圖中分析可得，當吊噴管件承受載荷和自重時，管件變形和應力在設計的工作剛度和強度范圍內，保證了使用的安全性和可靠性。

3 吊噴管件的變形實測試驗

從上述有限云分析結果可得，吊噴管件所受最大應力遠小于管件許用應力，且大跨度柔性構件（細長桿）剛度變形影響更大，因此本試驗主要實測管件實際工作時的變形效果。本文對覆膜控溫移動苗床吊噴管件進行試驗地點為武漢市黃陂區農業機械化科學研究所武湖基地連棟溫室內，通過實測的數據與有限元數據進行對比，實測數據與有限元數據對照如表1所示。

表1 測試數據與有限元分析數據對照表

經試驗，實測數據和有限元分析數據均小于設計變形量，各數據試驗最大誤差均不超過7%，且實測最大變形都比有限元分析的結果偏小，說明有限元結果偏保守，更安全和可靠。

4 結束語

運用ansys有限元分析方法，對移動苗床的吊噴管件進行了靜力學分析，研究了受力狀態下管件的應力和變形，并通過實測試驗對剛度進行了比較，分析和試驗結果表明，吊噴管件強度和剛度能滿足使用和設計要求，保證了其安全性和可靠性。

[1]方勇.基于AYSYS的可調吊梁設計[J].機械制造，2014，52(594):36-37.

[2]王銳，廖劍，萬勇，宋少云.移動苗床用自動卷覆膜機的設計[J].中國農機化學報，2015，36(1):136-138.

[3]尚曉江，邱峰，趙海峰等.AYSY結構有限元分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4]博弈創作室．ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[5]徐浩．基于有限元的大型摩擦焊機主軸箱優化設計[J].機械設計與制造，2013(3):114-116.

2015-09-03）