基于ANSYS Workbench的中耕機(jī)力學(xué)特性分析

王曉騰

（臨猗縣第一職業(yè)中學(xué)，山西 臨猗 044100）

中耕是在農(nóng)作物生長過程中進(jìn)行的一項(xiàng)田間作業(yè)，其主要作用體現(xiàn)在改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤蓄水能力、消滅雜草和促進(jìn)有機(jī)物分解等方面，中耕作業(yè)能在一定程度上改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量[1]。隨著中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，中耕機(jī)是中耕作業(yè)的主要機(jī)械裝備之一。

中耕機(jī)一般由機(jī)架、鏟柱和鏟頭組成[2]，按照不同的中耕作業(yè)需求，鏟頭主要有除草鏟、松土鏟和培土鏟3 個種類，中耕機(jī)在工作過程中，根據(jù)不同的作業(yè)需求更換不同的作業(yè)鏟頭，在3 類鏟頭中，松土鏟所需要的作業(yè)功率是最大的[3]。也就是說在松土作業(yè)中，中耕機(jī)的機(jī)身將承受較大的工作載荷[4]，容易使中耕機(jī)的機(jī)身產(chǎn)生變形甚至損壞。

以某型號中耕機(jī)為研究對象，利用ANSYS Workbench 對其在松土作業(yè)中的力學(xué)特性進(jìn)行分析，得到了其在松土工作過程中的變形和應(yīng)力情況，并對其進(jìn)行了模態(tài)分析，為后續(xù)中耕機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。

1 分析模型

研究對象是一款通用的中耕機(jī)，松土作業(yè)是其一種工作方式，該中耕機(jī)主要由機(jī)架、鏟柱和鏟頭組成，中耕機(jī)的長度為2 960 mm、寬度為1 300 mm，機(jī)架采用100 mm×100 mm×5 mm 的45 號鋼方管焊接而成，鏟柱由厚度為30 mm 的45 號鋼板制成。在工作過程中，每個松土鏟受到的阻力為940 N[5]。由于這里只對中耕機(jī)的機(jī)架和鏟柱進(jìn)行研究，因此分析模型將鏟頭部分進(jìn)行了省略。在不影響分析結(jié)果的前提下，對機(jī)架和鏟柱的部分特征進(jìn)行了簡化，分析模型如圖1所示。

圖1 中耕機(jī)分析模型Fig.1 The analysis model of cultivator

2 靜力學(xué)分析

對于中耕機(jī)來說，其工作時的運(yùn)動可以看成勻速運(yùn)動，即處于穩(wěn)態(tài)。對于處于穩(wěn)態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，靜力學(xué)分析是一種有效的力學(xué)分析方法。

2.1 靜力學(xué)分析預(yù)處理

根據(jù)上述的中耕機(jī)特征參數(shù)，建立三維模型并導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，然后在中耕機(jī)的3 個懸掛位置分別施加無摩擦圓柱支撐約束[6]，并在每個鏟柱的下端施加940 N的力來模擬中耕機(jī)松土作業(yè)過程中受到的阻力[7-8]。將中耕機(jī)的材料設(shè)置為45 號鋼。有限元網(wǎng)格的大小限制為5 mm 以下。

2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

劃分完網(wǎng)格之后，將分析模型提交求解計(jì)算。經(jīng)過求解計(jì)算得到了中耕機(jī)的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖。從等效應(yīng)力云圖中可以看出，在進(jìn)行松土作業(yè)時，中耕機(jī)機(jī)架的不同部分均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，特別是懸架與水平架連接位置的應(yīng)力較大，如圖2所示。其中最大應(yīng)力值為78.5 MPa，該值遠(yuǎn)小于45 號鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，不會發(fā)生材料屈服現(xiàn)象，后續(xù)可通過增加懸架拉桿的數(shù)量來降低懸架與水平架連接位置的應(yīng)力。

圖2 等效應(yīng)力云圖Fig.2 The equivalent force nephogram

圖3 是中耕機(jī)在進(jìn)行松土作業(yè)時機(jī)架的總變形云圖，從總變形云圖中可以看出，水平架的左右兩側(cè)和鏟柱的底部均出現(xiàn)了較大的變形，鏟柱下端的變形量較大，最大值為1.9 mm。結(jié)合等效應(yīng)力來看，鏟柱下端出現(xiàn)較大變形主要是由于機(jī)架的變形傳遞積累在鏟柱的下端造成的。

圖3 總變形云圖Fig.3 The total deformation nephogram

3 模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種常用方法。由于土壤特性不均勻，中耕機(jī)在松土過程中會受到外界隨機(jī)變化載荷的作用，當(dāng)這些載荷的頻率與中耕機(jī)某個模態(tài)的頻率相接近時，會發(fā)生較大的損害。

3.1 模態(tài)分析預(yù)處理

在ANSYS Workbench 中建立模態(tài)分析項(xiàng)目，并將中耕機(jī)的靜力學(xué)分析結(jié)果作為模態(tài)分析的基本條件，由于一個機(jī)械結(jié)構(gòu)具有多個模態(tài)，根據(jù)實(shí)際需要，這里將模態(tài)分析的階數(shù)設(shè)為6。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

通過求解計(jì)算得到了分析對象的前6 階的模態(tài)情況，前6 階模態(tài)的振動頻率見表1，從表中可以看出，分析對象前6階模態(tài)頻率的最大值為39.3 Hz，最小值為13.7 Hz，也就是說如果外界施加載荷的頻率與這6 階模態(tài)頻率相接近的話，分析對象將發(fā)生共振損害。

表1 前6階模態(tài)振動頻率Tab.1 The vibration frequencies of the first six modes

4 結(jié)論

利用ANSYS Workbench 對某中耕機(jī)在松土工況下的靜力學(xué)和模態(tài)特性進(jìn)行分析，通過分析得到以下結(jié)論。在額定松土工況下，該中耕機(jī)所受的的最大應(yīng)力78.5 MPa，該值遠(yuǎn)小于45 號鋼的屈服強(qiáng)度355 MPa，設(shè)計(jì)是安全的。后續(xù)可通過增加懸架的數(shù)量優(yōu)化機(jī)架的受力情況，降低自身質(zhì)量。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，該中耕機(jī)前6 階模態(tài)的振動頻率范圍是13.7～39.3 Hz，當(dāng)外界載荷頻率在此范圍時，應(yīng)該注意規(guī)避前6階模態(tài)的振動頻率，否則容易發(fā)生共振損害。