山地烤煙拔桿機刀具有限元分析及試驗

羅建欽，劉祖國，吳 峰，張大斌，盧 澤，余朝靜

(1.廣西中煙工業有限責任公司 廣西 南寧 530001；2.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽，550025)

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山地烤煙拔桿機刀具有限元分析及試驗

羅建欽1，劉祖國2，吳 峰1，張大斌2，盧 澤2，余朝靜2

(1.廣西中煙工業有限責任公司 廣西 南寧 530001；2.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽，550025)

為了獲得具有高效、優良拔桿刀的設計方案,以小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀為研究對象，在UG(Unigraphics)中創建拔桿刀具的三維模型，根據Design Explorer模塊中的對物體靜力分析的理論，對拔桿刀進行設計優化。通過Design Explorer后處理的敏感性和輸入參數的響應來確定優化方案，以達到降低刀具所受應力。分析的響應曲面結果表明：將刀的厚度和長度分別改為490 mm和7.3 mm，可使刀所受到的力降低10%，且田間試驗證明效率提高了5%～8%。

山地烤煙拔桿機；刀具；優化；有限元模態分析

小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀是拔桿機的關鍵零部件，一般要求其刀具具有較好的靜、動態性能和較強的剛度。近年來，不少學者都熱衷于利用有限元來分析和改進結構[1-2]，如權龍哲等[3]利用有限元理論建立了玉米根茬在切割過程中的動力學仿真模型，得到了最優滑切角和物料摩擦角間的函數關系式；張松等[4]利用參數有限元法分析了刀具的力學性能，提高了產品的設計質量，降低了設計周期；施昱等[5]利用ANSYS 中的優化設計模型(Design Explorer)對刀具進行了優化設計，降低了刀具在工作過程所受的應力。本文基于前人的設計理念，應用ANSYS優化設計模塊，對小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀進行了優化設計。分析了刀具的厚度、大小，并以此作為優化設計的依據，計算出刀的外形尺寸，根據靈敏度和響應曲面來確定設計方案，得到了一個高效率的拔桿刀具。

1 小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀的優化設計

Design Exploration(優化設計)是ANSYS Workbench中的一個快速優化工具，它主要是通過設計點，即可以增加設計點的參數，得到不同的輸出和導出參數[6]，由于實驗時需要設計的點是有限的，這里選取有限個點，通過擬合函數做成響應曲面 ( 或響應曲線)，優化的結果有以下的幾種主要形式：(1)目標驅動優(Goal-Driven-Optimization)，這種優化是一種多目標優化技術，它可從得到的有限點中選取較優的點來進行設計，其一系列的設計目標都可用于優化設計。(2) 相關參數優化(Parameter Correlation)，它主要是獲取輸入參數的敏感性圖，本文可通過參數優化得到某一個輸入參數相對應的曲面，由此可以知道這一參數的影響究竟是大還是小。(3) 響應曲面優化(Response Surface)，從中可以直觀的觀察到輸入參數對整體的影響，利用圖表形式可以動態顯示輸入與輸出參數之間的函數關系式。(4) (Six Sigma)六希格瑪設計，這一模塊主要是用來評估產品可靠性的概率，根據6個標準誤差理論，可以分析材料屬性、幾何尺寸、載荷等不確定性輸入變量的概率分布對產品性能的影響，包括應力變形等的影響。

2 刀具模型的建立

2.1 拔桿刀建模

小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀分為3個部分：中軸、外鏈接盤、刀，它們都是通過焊接的形式接在一起的。刀架的總長度為550 mm，刀與刀之間的距離為495 mm，整個刀架的高度為480 mm，外鏈接盤的厚度為5 mm，刀的厚度為6 mm，在工作過程中，刀刃與作物的接觸角度為90度。整個刀具采用的材料都是AISI類型A2刀具剛，其材料參數見表1。本文利用UG三維繪圖在將其轉換為x-t的格式導入ANSYS Geometry(有限元幾何模型)進行優化設計分析，如圖1所示。

圖1 刀架示意圖

材料屬性屬性值密度p(kg/m3)7860彈性模量E(Pa)2.03e+011泊松比0.285

2.2 建立刀具的有限元模型

在進行優化之前，首先建立一個有限元模型，將畫好的幾何模型導入到Mechanical APDL模塊中，導入后選取單位為mm，材料的參數為彈性模量是2.03e+011，泊松比是0.285，密度為7860 kg/m3。其次，需要對網格進行劃分，這里采用的是ANSYS Workbench里自動生成網格，通過檢查網格質量良好,如圖2所示。

圖2 刀的有限元模型

2.3 刀具的靜態應力分析

首先根據刀在實際工作中的工況來設置刀的載荷和約束條件，此刀在工作過程中時與作物的接觸是90度，且是刀的中間部位與之接觸，在工作過程中的動力來源于軸向的旋轉傳動，所以，刀在工作時有一個向x軸的速度和一個沿軸向的旋轉速度。由于力的作用是相互的，由圖1知，當機架開始轉動時，刀具在工作時所受的載荷主要集中在刀刃上，而刀的兩端是固定不動的，所以，分析時我們可以在刀的兩端添加固定約束，在刀的刀刃上添加載荷約束，如圖3中A表示固定約束，B表示載荷約束。

圖3 載荷與約束

根據上述的操作，在Solution中添加Total deformation(總變形量)和Equivalent Elastic Strain(等效彈性應變)的應力，然后在點擊SOLVE進行求解操作，分別得到了不同效果云圖，如圖4所示。

(a)Total deformation(總變形量)

(b)Equivalent Elastic Strain(等效彈性應變)

由刀的靜態應力分析可知，當刀在進行拔桿作業時，刀的應力集中在刀具的中間部位，且刀還有一個沿軸向的旋切力，這個旋切力和整機的前進速度有關，所以在定義設計參數時，選取刀的厚度，寬度和長度為參數進行設置。

3 刀具參數的優化設計

Design Exploration(優化設計)是ANSYS Workbench具有快速優化的功能，且可以進行多目標優化[7]，在Design Exploration(優化設計)中通常把待優化的點擬合為函數表達式。考慮到Design Exploration(優化設計)設計中輸入的設計點是有限的，這里利用插值擬合成響應曲面或者是線性模擬仿真[8]。

優化的過程可以表示為：參數建模——設置材料屬性——進行有限元分析——形狀優化設計——定義參數——優化求解，進行工作參數優化設計[9]。

在設置參數時，定義了刀的長度以及刀的應力，如表2所示。

表2 參數變化表

因為刀具在工作過程中對不同植株所受到力不一樣，會隨著不斷的變化，從表2中我們可以看出在刀的長度為49.5時刀的應變最小。

通過Response Surface(響應面)可以得到相關數據的敏感性結果，如圖5所示。

圖5 相關參數的敏感性圖

由圖4可知，輸入參數對輸出參數的影響是各不相同的，從圖5中可以看出，刀的寬度參數與厚度參數的關系，其敏感度都是大于零的，說明輸入與輸出成正比。從響應曲面圖中可以直觀的得到，P1、P2、P3是呈線性變化的，其中P1、P2與P3都是成正比關系。從以上的分析可知，在進行優化設計時將P1、P2和P3設定為優化目標[10]，同時，為了使刀在工作時所受的應力變化最小，刀具的長度應該滿足其條件，所以要考慮到優化目標的重要性，由圖5、圖6及表2可知，本文優化的重要目標是刀具的厚度和長度。

圖6 P1、P2、P3的響應曲面

對刀進行優化時，在Design Exploration(優化設計)中會默認產生A、B、C三組候選的優化設計點，通過對比，得到A組的點為最優設計點，最大應力36 Pa，且刀的長度和所受到的力均減小，所以將A組作為目標驅動優化比較合理，得到的分析結果如表3所示。

表3 參數優化前后對比數據

4 拔桿機田間試驗

煙桿根系與土壤是一個混合體，而且整個根體深入土壤，在根系的土壤相對其他部位密度較大，不同粗細的煙桿其根系發達程度不同，煙桿越粗，根系越發達。本試驗分別對不同粗細的煙桿采用不同長度、厚度的拔桿刀來進行田間試驗，利用正交試驗法，分析刀厚為6 mm和7.3 mm時刀所受應力的變化。通過在刀具的刀刃后安裝應力傳感器，可得到相應的數據，如表4和表5所示。

表4 刀厚為6 mm時不同長度所受應力(Pa)表

表5 刀厚為7.3 mm時不同長度所受應力(Pa)表

由表4和表5可知，得出的數據與ANSYS優化的結果相似，由于在田間試驗過程中不同地方土壤的疏松程度不同，所以田間試驗的結果與優化的結果的相差不大。又功效公式為：

式中W為拔桿過程中的所做的功的多少；F1表示牽引力；F2表示在拔桿時所受到外界的載荷，這里主要指刀對桿的力。

利用上述公式及其數據計算得：當刀厚為7.3 mm，且刀長度為490 mm時，工作的效率平均提高了5%～8%。

5 結論

(1)由Design Exploration優化設計實驗表明，利用三維建模，在導入ANSYS中進行動力學模型仿真，能夠客觀地描述出刀在拔桿過程中受力的應變圖像，可以為優化小型山地烤煙拔桿機的拔桿刀提供理論依據。通過優化前后的對比實驗可知，優化后能大大提高刀具的穩定性。

(2)基于ANSYS中的Design Exploration對刀進行優化設計，有效地縮短了優化設計的時間，將模型導入到ANSYS就可以快捷地得到優化結果，節省了在實際設計時的大量計算，結果也比較準確。

(3)為了更好地表現出刀在作業時的變化規律，便于進行理論上的分析，在建模過程中，對一些比較復雜的力學運動簡化為理想的假設，這可能會對結果的精度有一定的影響，可以通過實踐結果對該刀具進行完善。

(4)通過田間試驗，進一步的驗證了ANSYS優化結果的可行性，由田間試驗得到的結果與Design Exploration(優化設計)分析結果相同，即當刀的厚度和長度分別為490 mm和7.3 mm時工作效率較高。

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[6] 馮楚勝.六西格瑪理論與實施 [J]. 艦船科學技術,2007,29(3):140-142.

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(責任編輯：熊文濤)

2016-08-24

貴州大學研究生創新基地項目(CXJD[2015]003)；廣西中煙工業有限責任公司科技項目(1212014015)

羅建欽(1971- )，男，廣西恭城人，廣西中煙工業有限責任公司經濟師。

劉祖國(1992- )，男,貴州銅仁人，貴州大學機械工程學院碩士研究生。

S22

A

2095-4824(2016)06-0102-04