基于ANSYSWorkbench的太陽能田園管理機開槽刀模態分析

王青 周東華

關鍵詞：太陽能田園管理機;開槽刀;模態分析

中圖分類號：TG502 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0072-03

Abstract：Slotting knife is an important part of solar farm management machine slotting. The natural frequency and mode of vibration of slotting knife will affect the reliability and safety of the whole machine to a great extent. Therefore，the three-dimensional solid model of slotting cutter is established by software Pro/E，and the model is imported into finite element analysis software ANSYS. The modal analysis of the model is carried out. The first six natural frequencies are extracted and compared with the frequencies of external loading. The analysis results show that the strength and stiffness of slotting cutter meet the design requirements，and the vibration effect is very small，and resonance will not occur，which will lead to the machine being destroyed.

Keywords：solar energy pastoral management machine;slotting cutter;modal analysis

0 ?引 ?言

由于田園地形多為丘陵或者山地，具有機械操作空間較小、土壤潮濕的特點，太陽能田園管理機既要滿足機械功能要求又要滿足田園農藝要求，并且要盡量減小電動管理機的體積，使整機的結構緊湊。在目前的管理機設計中，由于機械和土壤環境等條件的限制，還沒有發現可以用于田園開槽的相關機械設備。對于田園里面的植物，由于其自由生長而產生的根莖雜錯相交，不利于植物的生長。故研究設計一種可以切斷根系又符合綠色發展理念的太陽能田園管理機，有其現實意義和必要性。田園管理機開槽功能是為了減少勞動強度，該設計的預期目標是使應用于田園環境的電動管理機具備開槽功能，槽寬約為60mm。

隨著經濟的快速發展，人們生活水平的逐漸提高，田園管理工作機械化的需求越來越明顯，太陽能田園管理機有助于減少管理者的勞動強度，提高工作效率。由于田園工作環境相對復雜，因此太陽能田園管理機必須要安全可靠以保證人們的操作安全。

太陽能田園管理機的開槽設備是管理機進行開槽時切斷植物根莖的核心設備，因此，此設備必須要安全可靠，以免影響到整個機器的工作質量以及工作人員的人身安全。開槽刀的設計是否安全合理關系到整機能否正常而有效地工作，所以它在結構設計上，剛度和強度必須要滿足設計需求。開槽刀在設計過程中，為了驗證它是否安全合理，在設計過程中用軟件對開槽刀模型進行模態分析，對開槽刀的振動參數進行分析。通過運用Pro/E軟件對開槽刀建立三維幾何模型，并利用有限元分析軟件對它的結構進行仿真計算，可以降低開槽刀的設計成本。運用ANSYS有限元分析軟件來實現對太陽能田園管理機開槽刀的動態特性分析。針對本文中開槽刀的結構特點，對開槽刀進行了模態分析，驗證該設計是否合理。

1 ?有限元模型的建立

開槽刀既要滿足開槽斷根莖的要求又要滿足結構簡單實用的要求。在設計開槽裝置時，要設計環境適應性強、結構精簡的裝置，其主要由主軸孔、刀盤、刀頭等零件焊接而成。開槽刀的主要結構參數如表1所示。

運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對太陽能田園管理機開槽刀進行模態分析，首先要對所設計的開槽刀建立三維實體模型。

建立模型的方式有兩種：一是利用繪圖工具箱里的特征創建線或者表面體設計生成3D模型;二是利用導入外部幾何體文件特征直接創建三維實體模型。

一般建模選第二種，即通過其他繪圖軟件建好模型后，將模型轉換成ANSYS可識別的格式，然后將所建的模型轉換格式導入ANSYS中對模型進行模態分析。本文首先運用三維繪圖軟件對開槽刀建立三維實體模型，然后再轉換為STP格式，最后將STP格式的開槽刀模型導入到ANSYS中。建立后的開槽刀三維模型如圖1所示。

把建好的模型導入ANSYS后，進入分析模塊。在結構設計中，為了驗證所涉及的開槽刀是否安全可靠，對開槽刀模型進行模態分析，可以為設計的安全性和合理性的判斷提供理論依據。在進行模態分析的過程中，需要滿足以下假設條件：滿足小變形理論;材料為線彈性材料;分析不受載荷、慣性與溫度的影響。

1.3 ?材料屬性

本文中開槽刀由刀頭與刀盤組成：刀頭與刀盤通過焊接的方式連接，刀頭的材料為65Mn，刀盤的材料為45鋼，材料屬性如表2所示。

對于三維幾何體，ANSYS中的網格劃分方法包含自動劃分法、四面體劃分法、六面體主導法、掃掠劃分法等。本文采用自動劃分法對模型進行網格劃分，共產生124971個節點和59748個單元。劃分完網格的開槽刀模型如圖2所示。

對開槽刀進行模態分析就是要確定所設計的開槽刀的固有頻率和振型。開槽刀的每一個模態都具有特定的固有頻率和振型，對于模態分析，通過公式計算得出振動頻率ωi和模態Φi。

對開槽刀進行模態分析獲得開槽刀的固有頻率和振型，從而驗證開槽刀是否在一定范圍內產生共振破壞現象。分析時，對開槽刀主軸孔采用兩端面固定以及約束x軸和z軸方向的轉動。所以，在對開槽刀進行模態分析時，開槽刀主軸的軸向位移和徑向位移都受到了限制。經ANSYS分析得到相應的振型如圖3～圖8所示。

由振型云圖可以得出，開槽刀的刀頭附近的振動最強烈。由分析公式計算得出，開槽刀在進行開槽時，動力是通過傳動軸傳遞給開槽刀并帶動開槽刀旋轉，開槽刀的振動是沿著刀頭向外逐漸加強，導致刀頭的外邊緣容易發生彎曲。在開槽刀前振型中，固有頻率在385.91～914.12Hz之間，隨著模態階數的增加，固有頻率也在增加。開槽刀的設計轉速，遠低于1階模態下的固有頻率385.91Hz時的速度。根據分析，可以判斷出所設計的開槽刀是安全可靠的，不會發生共振破壞現象。

3 ?結 ?論

（1）通過對太陽能田園管理機的開槽刀進行模態分析可知，開槽刀振動最強烈的部分是刀頭外邊緣，并且開槽刀的刀頭外邊緣相對容易發生振動彎曲變形。

（2）根據對開槽刀進行模態分析的結果，驗證了太陽能田園管理機的開槽刀設計的安全性，確保了機器設備的整體性。

（3）運用建模軟件對開槽刀進行建模，將模型導入ANSYS Workbench中進行模態分析，獲得了開槽刀前6階固有頻率和最大載荷，為后續的設計研究提供了研究依據。

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作者簡介：王青（1976.12-），男，漢族，江西九江人，工程師，本科，研究方向：機械制造及自動化。