基于ANSYS的耕地裝置設計與優(yōu)化

趙殿明

(吉林工程職業(yè)學院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化程度的提高，種植前需對土壤進行預處理，以達到促進農(nóng)作物良好種植的目標。用于土壤碎土、翻新、施肥等功能于一體的耕作裝置近年來得到了廣泛的應用，其主要通過耕地部件主動旋轉與土壤相互作用實現(xiàn)入土旋耕。經(jīng)查閱資料得知：國外針對此類耕地機具研究較早，其多數(shù)采用拖拉機提供動力源。圖1為某型號耕地機的外形圖。

圖1 耕地機外形簡圖Fig.1 The contour diagram of the cultivated land machine

由圖1可知：其主要構件包括機架、傳動裝置、刀輥、擋土罩及平地拖板等，各部件間形成有機的整體進行耕耘作業(yè)。有限元技術在各行業(yè)得到廣泛而有效的應用，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對耕地裝置進行關鍵結構設計，從改善耕地裝置的實用性、高效性方面展開討論。

1 工作原理及特點

其工作原理可簡要概述為：根據(jù)耕地機執(zhí)行部件的作業(yè)原理示意圖(見圖2)，在牽引裝置(拖拉機)提供足夠的動力下，經(jīng)過傳動軸將其傳遞至耕地裝置的刀片位置，與待耕耘土壤進行深度接觸，通過耕地執(zhí)行部件旋轉與前進同步進行，對土壤進行翻耕。

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

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

表1 耕地機主要技術參數(shù)設計Table 1 Main technical parameter design of the cultivated land machine

2 耕地裝置設計

2.1 理論模型

耕地機在進行耕地作業(yè)時，考慮整個耕耘過程的有效性，將切土、拋土、傳動、行進等動作因素納入，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

基于設計變量、約束條件、目標函數(shù)三者之間的優(yōu)化關系，采用最佳迭代與數(shù)值求解方法，得出所需目標值。

耕地機核心裝置設計優(yōu)化流程如圖3所示。由圖3可知：為獲取良好的ANSYS模擬試驗效果，一方面，結合靜力學、動力學理論，設計符合工藝要求的耕地裝置幾何參數(shù)并進行細節(jié)局部調整，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際性決定耕地機整體設計優(yōu)化的可行度，收斂的速度與合理性作為其判定標準。

圖3 耕地機核心裝置設計優(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)耕地裝置刀片的運動軌跡(見圖4)，可知其端點處運動符合方程，則

(1)

進一步得出旋耕裝置的刀片運動速度為

(2)

從而得出刀刃入土切削速度為

(3)

式中R—耕地機的刀輥回轉半徑(mm)；

v—耕地機的作業(yè)行進速度(km/h)；

ω—耕地機的刀輥回轉角速度(rad/s)；

t—時間函數(shù)(s)。

利用耕地機的刀片速比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對耕地裝置關鍵尺寸設計優(yōu)化，建立旋耕刀片物理模型，模型建立應便于后期進行ANSYS數(shù)值模擬分析，對細小部件的連接、倒角等予以科學簡化。

圖4 耕地裝置刀片運動軌跡圖Fig.4 Movement trajectory of the blade of the cultivated land machine

3 有限元分析

3.1 條件設置

三維物理模型與ANSYS軟件進行有效對接后，給出耕地機的刀齒有限元分析過程。經(jīng)綜合考慮后，網(wǎng)絡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高精度劃分，以確保有限元求解與迭代的精準性，共實現(xiàn)劃分單元數(shù)48 970，節(jié)點數(shù)59 332。

在上述改進理論的基礎上，對此類型耕地機執(zhí)行部件進行ANSYS模擬分析，擬試驗的條件需滿足耕地作業(yè)要求。有限元試驗部件的材料屬性設置，主要從靜力學分析、動力學承載兩個方向進行，如表2所示。

表2 有限元試驗部件材料屬性設置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系，設置土壤為方正靜止模型，同時給定與田間土壤水分、堅實度、植被覆蓋率等基礎信息相一致的參數(shù)；設置耕地裝置的刀齒為運動模型，將各邊界條件設置為無邊界滑移，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 試驗分析

進行ANSYS數(shù)值仿真靜態(tài)和模態(tài)試驗，多次對有限元的預處理參數(shù)進行調整，考慮耕地裝置刀具作業(yè)過程所受阻力的多變性，得出耕地裝置刀齒位移云圖(見圖6)和耕地裝置刀齒應力云圖(見圖7)。由圖6可知：旋耕作業(yè)過程中位移最大處出現(xiàn)在耕地裝置的刀齒齒尖部位，應著重加強該部位的強度要求。

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)過程中所承受的最大應力可達1.08×108Pa。多次調整參數(shù)，優(yōu)化后的應力云圖可表明：應力集中位置有所轉移，且應力集中范圍逐步變?。粚τ谂c耕地裝置箱架軸連接處易發(fā)生耕地刀齒折斷的現(xiàn)象，通過參考應力值，改善該部位的材料特性，使得此耕地裝置刀齒具有更加堅固的作業(yè)強度，并有效避免刀齒與機軸產(chǎn)生共振，參數(shù)結構優(yōu)化合理。

表3為耕地機主要性能指標優(yōu)化前后試驗數(shù)據(jù)。由表3可知：通過數(shù)據(jù)處理與轉換后選取4項指標作為衡量標準，刀片的尺寸結構優(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)標準要求，平均地表平整度由改進前的1.75cm提高至1.82cm，整個耕地裝置的工作穩(wěn)定性由87.75%提升至92.85%左右。

表3 耕地機主要性能指標優(yōu)化試驗數(shù)據(jù)Table 3 Optimization test data of main performance index of the cultivated land machine

4 結論

1)在深入理解耕地機理的基礎上，建立了耕地裝置與土壤相互作用的理論模型，并制定了科學化的設計流程進行改進優(yōu)化，明確耕地裝置的刀片作業(yè)的運動軌跡與入土特性，并展開有限元分析。

2)通過施加與實際場合較一致的載荷，對耕地裝置的旋耕核心刀片結構進行ANSYS分析，可得出設計刀齒在與土壤相互作用過程中的位移分布云圖和應力分布云圖，并根據(jù)云圖適時對參數(shù)進行科學調整優(yōu)化，避免了刀齒作業(yè)過程中的應力集中區(qū)。

3)利用快速的三維建模技術和ANSYS分析技術，對應用于田間耕耘的耕地機進行關鍵部件的設計與優(yōu)化，優(yōu)化后的整機工作穩(wěn)定性能提升5.1%，大大縮短了設計周期，提高了耕地裝置的優(yōu)化改進效率，可為其他裝置改進提供參考。