基于ANSYS刮板靜應力及優化分析

劉祖國，張大斌，雷 焱，余朝靜，盧 澤

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

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基于ANSYS刮板靜應力及優化分析

劉祖國，張大斌*，雷 焱，余朝靜，盧 澤

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

為了有效提高地膜回收效率，研究了膜土分離裝置的刮板結構。首先利用SOLIDWORKS建立了刮板的三維模型，然后通過ANSYS Workbench軟件對刮板進行了靜態分析，利用Design Explorer模塊在靜應力分析的基礎上對膜土分離裝置的刮板進行優化設計。通過對刮板模型施加相應的載荷，分析刮板總變形量并得到優化后的刮板參數化模型。分析結果表明，固定面的長度是27.5時，固定面連接的面的長度是2.3時刮板的變形量及應力最小。

刮板；ANSYS;優化設計；靜態模型

刮板是回收地膜作業過程中的關鍵部件，主要是將附在膜上面的土壤分離，避免將膜連土壤一起拾起，這增加了收膜的難度。近年來許多學者研究了地膜的回收問題，如羅東升等[1]發明了1ZSM II型地膜回收機；蔣建榮[2]研發了QMB 1500型后置式起膜拔棉稈機；張惠友等[3]研制了收膜整地多功能作業機，這些機型都是處理作物收獲后地膜被土壤覆蓋難以回收的問題。目前，為了防止地膜被風掀離壟面，在覆膜時會在地膜邊緣覆上一層覆膜土，這層覆膜土隨著覆蓋時間的推移，在雨水和人為作用下，土壤與地膜板結在一起，將嚴重阻礙地膜的回收，這也是導致苗期地膜無法完整回收的主要原因。因此地膜回收機需要設置膜土分離裝置，在收膜裝置作業前將邊膜上的壓膜土與地膜分離，以便卷膜輥能順利且較為完整地回收地膜。

針對土壤覆蓋地膜難以回收的問題，本文提出了一種膜土分離裝置—刮板，既能將地上的覆膜土疏松，又能將塊狀覆膜土從地膜上刮離；并利用有限元分析了刮板在收膜過程中的應力變形情況，基于優化設計理論，對刮板六西格瑪優化設計分析[4-7]。

1 刮板的工作原理分析

刮板的簡化結構如圖1所示，其中刮板入土角為α=23°，厚度為2 mm。刮板作為揭膜機高效回收的重要部件，它主要是通過與固定面連接的斜板把板結在地膜上的土塊刮開，再進行揭地膜，有效的提高地膜的回收效率。

圖1 刮板結構簡圖

1.1 刮板結構受力分析

刮板在進行刮土時所受的土壤阻力是地膜回收機所受外力的重要組成部分，其受力部位理論上主要由AB斜面和豎直平面BC承擔(見圖2)。

圖2 工作時的刮板結構受力情況

工作時，隨著機具的前進，土壤對AB面的作用力N垂直于面AB，由理論力學可知，N所作用力的點可視為AB段的中點。在膜土分離作業過程中，除了阻力N外，還有一個沿AB面的摩擦力F，可將F與N合力，記為R。將合力R可以分解為力Rx和Rz，其中Rz主要是把土壤和地膜分離的有效阻力；Rx則表示將土翻起的力。

在膜土分離時，主要受力面為AB面，以及刮板另一部分BC段受到力P作用，由于機具是向前水平推動刮板，所以在水平方向受到一個垂直BC段的力P。同時在水平方向上有兩個阻力，分別是P和Rx的水平阻力，由力的合成得到了總阻力R'。阻力R與水平面所成的夾角為β，同時產生一個附加力偶，這個力偶由機架的支承力來平衡。

刮板工作時，抬起覆膜土并使之松動的作用力大小為Rz。由力的分解可知地膜回收機在進行回收地膜工作時主要受到來自刮板的阻力為：

Px=Rzcot β'

(1)

由式(1)可知，當Rz一定時，β'角越大，刮板的阻力越小，當β'=β時，得到最大的合力作用角，且有關系式：

α+β+φ=90°

(2)

式中：α為起土角，β為合力作用角；φ為摩擦角。

由式(2)可知，因為摩擦角是由土壤參數與金屬表面確定的參數，所以當α角減小時β角將增大，這將有利于工作阻力的減小，但α過小時，會降低刮板尖端的強度，為得到一定的抬土高度，減小α時，同時增加刮板尖端的水平長度，因此也會導致刮板鏟尖尺寸變大。綜合膜土分離效果因素，現將α角定為23°。由于土壤是由石粒和一些其他的顆粒狀的物質組成，使用在土壤與刮板間摩擦系數較大，摩擦系數應取在0.4～0.8之間。

1.2 刮板作業時牽引阻力計算

由于刮板工作情況復雜，因此在計算刮板工作時受力的理論值時，常采用經驗公式[8]進行計算。依據經驗公式建立刮板受力模型如圖2所示，圖2中AB為刮板。

由圖2可知，工作時刮板產生的牽引阻力主要由三部分組成：刮板與溝底、溝壁的摩擦力；刮板切割土壤并使其變形的有效阻力；將土壤從刮板一側拋出時受到的土壤對刮板側面的摩擦阻力在機器前進方向上的分力。其表達式為：

(3)

故可得：

F刮=μG+khbsin γ(1+usin γ)

(4)

式中：本文取摩擦系數μ=0.8；γ—刮板偏向角即刮板與地膜回收機前進方向夾角，此處選擇60°；G—機架施加給刮板的下壓力，此處由經驗取為100 N；k—土壤的阻力系數，在此取為10 N/cm2；h—刮板刮土時的深度，此處為2 cm；b—刮板的寬度AB段，此處為10 cm。

簡化了刮板阻力計算模型后，經過計算得單塊刮板所受阻力值F刮約為550 N，該結果可為有限元分析優化提供理論參考。

2 刮板的有限元模型

2.1 結構靜應力理論分析

結構靜應力在有限元中主要是指結構在受到靜態的載荷時，加載在結構上的慣性和阻尼可以忽略。在此情況下達到結構的靜態平衡，又有慣性主要的決定因素是質量，使用如果忽略了慣性的作用，則結構的質量的影響就可以忽略。在WORKBENCH平臺中通過設置靜應力就可以得到結構的靜態響應。

通過有限元經典力學理論可知，忽略慣性和阻尼的靜力學方程為：

[M]{x′′}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

(5)

通過分析忽略質量[M]和阻尼矩陣[C]，則上式可以轉化為：

[K]{x}={F(t)}

(6)

由于在線性結構分析中，與時間t相關的參數都將被忽略，所以上式簡化為

[K]{x}={F}

(7)

式中：[K]是剛度矩陣；{x}是位移變化矢量；{F}是力的矢量。

2.2 刮板有限元靜態分析

通過對刮板的有限元靜態分析[9-10]，首先建立了有限元刮板網格模型，如圖3所示。

由于在進行靜應力分析時，判斷靜應力準確性的好壞主要依靠刮板的網格質量，當網格質量靠近1時，分析出來的應力變形效果云圖的準確信最好。本文為了提高網格的質量和分析的快慢，采用的是三面體網格，其中網格節點為15144，網格單元為8011，網格質量見圖4。

圖4 刮板網格質量

從圖4可以看到，網格質量趨近于1，所以網格質量良好。

其次就是通過設置約束條件,因為在刮板進行把地膜表面的土壤刮掉的過程中主要是約束了固定在刮板上的兩個螺紋孔，通過機具向前的推進，刮板的弧形斜面就接觸到土壤，計算對刮板作業時牽引阻力我們可以知道刮板所受阻力值F刮=550 N，α=23°，再對其進行靜應力分析。

通過圖5中設置了A為固定約束，B為載荷約束，通過公式P=S/F，得到施加載荷為0.055 MPa。在ANSYS中設置好約束條處理后，得到如圖6所示的總變形云圖及應力變化云圖。

圖5 刮板的約束及加載

圖6 總變形及彈性力變化云圖

通過云圖分析，我們可以看到：

(1)在施加載荷后，發生變形量最大的部分是在刮板的斜面與土壤接觸的地方，且最大變形量為0.026 mm，由于我們是對刮膜板靜態時的仿真，所以變形量很小，如果長期的進行刮土作業，載荷會隨著土壤結構的復雜多變而產生沖擊，在連續的沖擊下就會使變形加大，使得刮膜板失去原有的功效，刮膜板的斜面板將沿x軸的正方向扭轉變形，所以我們可以通過向斜面板焊接一根支撐條來分散一部分載荷。

(2)由圖6中的云圖可以看出，刮膜板的等效彈性應力最大集中位置為斜面刮板與固定面連接處，這主要是由于固定面是固定在機架上的而刮板是接觸土壤的，所以等效彈性應力大部分由連接面承擔而與機架固定的面的應力的一部分由機架承擔了。如果長時間地工作，應力集中在連續處的這個部位將會使刮板從接觸的地方斷裂，縮短使用壽命。一般可以通過加厚連接部位的厚度，采取密封焊接技術來加強連接處的強度。

3 刮板的優化設計

在有限元軟件中，可以通過參數化建模來分析各個參數的優化過程，本文的優化設計主要設置了刮膜板的長度參數，分別是固定面的長度與固定面連接的面的長度，選定設計優化參數后，采用六西格瑪優化設計的方法，刮膜板優化設計模型。

通過優化設計模型導出優化設計數據見表1。

表1 優化設計參數

由表1的分析數據可以看出，當P1是27.5，P2是2.3時，對應的總變形量及有效彈性力的平均值最小，能夠減少刮膜板的變形。通過Six Sigma Analysis可以得到相關數據的敏感性結果，如圖7所示。

圖7 P1、P2、P3、P4靈敏度關系圖

從圖7中可以分析得到對于等效彈性力長度P1、P2與P3是成正比的，而對于P4、P1是與P4成正比而P2與P4是成反比，經過六西格瑪優化設計分析后得到最優的點是P1為27.5，P2是2.3。

4 結論

(1)通過對刮板進行力學模型分析可計算出當刮板在進行刮土作業時所受力的大小和土對刮板的阻力的大小，為優化設計提供了約束條件。

(2)利用ANSYS優化設計理論，建立了刮膜板優化設計模型，可計算出變形量與有效彈性力最小時的最優長度參數。

(3)利用六西格瑪優化設計模塊，縮短了優化設計時間，有效地加快了人為優化設計進程，并得到了可靠的優化設計方案。

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[3] 張惠友，侯書林，那明君，等.收膜整地多功能作業機的研究[J].農業工程學報，2007，23(8):130-134.

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

[5] 夏萍，印松，陳黎卿，等.收獲機械往復式切割器切割圖的數值模擬與仿真[J].農業機械學報，2007，38(3):65-68.

[6] 姚道仕，楊建國，呂志軍.基于ANSYS Workbench的貨架立柱截面優化設計[J].東華大學學報(自然科學版)，2011，37(4):438-441.

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[10] Jia H, Ma C, Li G, et al. Combined rototilling stubble-breaking plantingmachine[J].Soil and Tillage Research, 2007,96:73-82.

(責任編輯：熊文濤)

2016-09-05

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)

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。

張大斌(1976- )，男，貴州貴陽人，貴州大學機械工程學院副教授，本文通信作者。

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2095-4824(2016)06-0106-04