多層苗床立體架有限元分析與研究

武漢市農業機械化科學研究所 盧澤民 王銳 杜錚 廖劍 舒虹杰 秦彩

多層苗床立體架有限元分析與研究

武漢市農業機械化科學研究所 盧澤民 王銳 杜錚 廖劍 舒虹杰 秦彩

多層苗床立體架屬于大跨度框架結構，承受載荷后，會發生變形，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solidworks建立多層苗床立體架三維設計圖，并直接應用solidworks軟件中的solidworks/simulation插件模塊對立體架進行了靜力學分析，研究了工作狀態下多層苗床立體架的應力和變形，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。

多層苗床；立體架；solidworks/simulation；應力；變形

0 引言

我國設施農業發展迅速，規?；缙鹬匾饔?。目前，固定苗床和移動苗床是育苗的主要載體，其育苗層面只有一層，溫室空間利用率偏低，單位空間育苗面積少，育苗產出率不高等問題，嚴重制約著育苗產業乃至設施農業的發展。

為了克服現有的技術不足，本文設計了一種溫室育苗多層苗床。多層苗床立體架由多個跨度單元連接而成，每個跨度距離為4 m，是承受載荷的主體，相對于其材料厚度尺寸而言，立體架構件屬于大跨度柔性結構，且易其受到重載的影響，因此需要分析其強度和剛度，驗算使用的安全性和可靠性，為設計提供重要的依據[1]。

1 多層苗床結構設計

多層苗床由抽屜式床面和立體架兩大部分組成。抽屜式床面由苗床邊框結構組成，苗床邊框為專用鋁合金型材，托網為熱鍍鋅鋼絲，支架為熱鍍鋅型鋼，苗床最大承載50 kg/m2。立體架由立柱、橫梁、縱梁、加強筋、連接板等組成3層框架結構，縱向立柱間隔4 m為一個跨度單元，每層結構縱梁間安裝有滑道，便于抽屜式床面能兩邊移動一定距離（即抽出的距離），立體架主要承受抽屜式床面及其承載物的重力載荷。如圖1和圖2為一個兩跨度的多層苗床和立體架三維圖。

圖1 多層苗床三維圖

圖2 多層苗床立體架三維

2 多層苗床立體架的分析與研究

2.1 立體架的結構設計

立體架立柱采用30×30×2(mm)的矩形方管，長度為1500 mm，由于立體架一個跨度間距為4 000 mm，屬于大跨度尺寸，縱梁采用50×30×2(mm)的矩形方管，同時為了減少大跨度剛度變形，縱梁截面方向沿抗彎矩方向與立柱放置連接，如圖3所示。橫梁也采用50×30×2（mm）的矩形方管，立柱底部加強筋采用30×30×2（mm）矩形方管。

圖3 縱梁截面連接放置剖面圖

2.2 立體架有限元模型建立

基于solidworks的有限元分析求解過程中，在solidworks環境下進行建模，利用solidwork的插件工具solidworks/simulation進行有限元分析，能夠有效實現三維軟件與分析計算軟件之間的數據共享和自動轉換。在生成的集合模型上直接定義材料屬性、劃分網格、添加約束和載荷并進行求解[2]等。

（1）建立三維模型，多層苗床立體架可由多跨組成，分析過程中，為了減少建模和分析計算時間，本文以一跨立體架為研究對象；同時，對模型進行合理的簡化處理，忽略一些局部特征[3]，得到三維簡化模型如圖4所示。

圖4 三維簡化模型

（2）定義立體架的材料屬性，立體架材料為普通碳鋼，從材料手冊中查得其彈性模量E=200 GPa，泊松比=0.3，材料密度為7 800 kg/m3，屈服強度為=220 MPa。

（3）定義邊界條件，在有限元靜力分析過程中，必須采用足夠的約束穩定模型，在本文中，立柱與地面固定，自由度約束為零，選擇立柱底部的4個面，對底部進行固定約束，如圖5所示。

圖5 添加約束

（4）添加載荷，對立體架施加載荷，立體架滑道內承受苗床邊框重量、育苗重量和苗床邊框盛水后的重量3部分載荷組成。每層苗床滑道4個區域承受載荷，相當于集中力載荷加載在此處，根據計算可得，每層承受4 000 N豎直載荷，如圖6所示。

圖6 施加載荷

（5）對立體架進行劃分網格，網格劃分時，單元的多少影響運算速度和結果精度。本文對立體架進行實體網格劃分[4]，采用高品質網格單元，單元大小為30 mm，節點數為127 879個，單元總數為68 645個。立體架網格劃分模型如圖7所示。

圖7 網格劃分模型

2.3 有限元的求解和分析

通過建模、定義邊界、施加載荷以及劃分網格后，在solidworks/simulation中選擇運行選項，進行靜力學分析，經過solidworks/simulation分析計算[5]，最后得到立體架的等效變形云圖和等效應力云圖，如圖8和圖9所示。

圖8 等效變形云圖

圖9 等效應力云圖

從圖7等效變形云圖中可以得出，最上層縱梁在中點處變形最大，最大等效變形為13.7 mm，小于設計變形量[V]=20 mm。從圖8等效應力云圖中可以得出，立柱與最上層縱梁連接處應力最大，最大等效應力為180 MPa，小于許用應力[]=220 MPa。從圖中分析可得，當立體架承受載荷時，立體架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 多層苗床立體架的變形實測試驗

從上述有限云分析結果圖9可得，立體架所受最大等效應力小于其許用應力220 MPa，滿足強度要求。但大跨度柔性構件縱梁剛度變形較大，因此需要實測6根縱梁實際工作時的變形效果。本文對多層苗床立體架縱梁進行試驗地點為武漢市農業科學技術研究院農業機械化科學研究所武湖基地試驗工廠內，縱梁從上而下，從里到外進行實測編號，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比較接近，各數據試驗最大誤差均不超過6%。最上層的縱梁變形最大，最下層的縱梁變形最小，這是由于立柱30×30×2（mm）矩形方管長度達1 500（mm），在立體架中屬于桿件結構，離地面越高，受力后越容易失穩變形，從而使得連接處的縱梁變形也越大；相反，最下層離地面最低，并且有加強筋的保護，受力后連接處的縱梁變形相對小些。

4 結束語

運用solidworks/simulation有限元分析方法，對多層苗床的立體架件進行了靜力學分析，研究了受力狀態下立體架的應力和變形，并通過實測試驗對剛度進行了比較，分析和試驗結果表明，立體架構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，同時也為后期進行優化設計與改進提供了參考依據。

[1]盧澤民，杜錚，王敏.覆膜控溫移動苗床吊噴管件有限元分析與研究[J].湖北農機化，2015，(5):62-63.

[2]北京兆迪科技有限公司.SolidWorks2014實用案例大全[M].北京:電子工業出版社，2014.

[3]鄧順賢，王晨，張國海.數控蝸桿磨床砂輪主軸剛度和強度分析[J].精密制造與自動化，2014，(2):30-31.

[4]王海軍，殷國富，何波等．基于SolidWorksSimulation的球磨機轉軸有限元分析[J].計算機應用技術，2014，41(1): 44-47.

[5]何慶中，王明超，趙獻丹．基于SolidworksSimulation碼垛機械手末端執行器導桿靜力學分析[J].四川工學院學報，2011,24(1):109-112.

2010-07-10）