基于ANSYS的犁架設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)分析*

趙樹龍，鄭 炫，楊懷君

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所）

翻轉(zhuǎn)犁是新疆地區(qū)主要的土壤翻耕農(nóng)具。由于新疆土質(zhì)含水率低，土壤堅(jiān)硬，翻垡時(shí)阻力很大，犁架作為翻轉(zhuǎn)犁力傳遞的重要承載部件，其上安裝著多鏵犁體、限深輪和懸掛架等，也是重要的受力部件，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求非常重要。

1 犁架設(shè)計(jì)要求

（1）犁架要便于犁體安裝及調(diào)節(jié)耕作幅寬。（2）犁架強(qiáng)度要滿足在拖拉機(jī)的牽引下，耕作正常，翻轉(zhuǎn)時(shí)的扭轉(zhuǎn)不會對犁架產(chǎn)生破壞。（3）在犁耕作業(yè)時(shí)，犁架不會產(chǎn)生共振而破壞。

2 犁架參數(shù)設(shè)計(jì)

犁架結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上布有多個(gè)螺栓孔，方便犁體以及限深輪的安裝及調(diào)節(jié)，在犁架后端焊接連接盤，方便在拖拉機(jī)動力充足的情況下可以再加裝尾鏵。其基本參數(shù)如表1所示。

表1 犁架基本參數(shù)

圖1 犁架結(jié)構(gòu)圖

3 犁架仿真分析

運(yùn)用ANSYS對結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)進(jìn)行模擬分析，首先使用SOLID WORKS繪制犁架的三維模型，由圖2所示，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，材質(zhì)選擇45號鋼。

圖2 犁架三維模型

3.1 犁架的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對分析結(jié)果以及分析速度有著直接的影響。由于犁架的三維模型結(jié)構(gòu)相對簡單，采用自動四方體網(wǎng)格劃分法，就可以滿足犁架的分析要求。將網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，其余選項(xiàng)默認(rèn)設(shè)置。

3.2 邊界條件與載荷設(shè)定

犁架上的力主要是懸掛架的牽引力以及犁體在土壤中受到的力傳遞到犁架上，在此仿真中將模型簡化，犁架與懸掛架連接的一頭設(shè)置為固定端，犁體在土壤中耕作時(shí)受的力由前蘇聯(lián)學(xué)者高略契金[1-3]提出犁體耕作阻力主要由摩擦阻力、靜態(tài)阻力以及動態(tài)阻力組成，表達(dá)公式如下：

其中，μ—犁側(cè)板與溝壁間的摩擦系數(shù)（0.3～0.5），G—犁體重量（kg），K—犁耕比阻系數(shù)（0.2～0.7），ε—動態(tài)阻力系數(shù)（250～400 Ns2/m2），a，b，v—耕深，耕寬，耕速。

將翻轉(zhuǎn)犁參數(shù)，耕深及耕速以及各阻力系數(shù)選擇最大和最小求出阻力范圍得P=36 251～73 640 N。因?yàn)橥寥狼闆r的復(fù)雜，犁體在工作時(shí)不能保持阻力不變，在計(jì)算時(shí)要將各個(gè)情況都綜合考慮。將最大的阻力仿真查看犁架的強(qiáng)度情況。

3.3 仿真結(jié)果分析

將由最大阻力靜力學(xué)分析結(jié)果的3個(gè)分析云圖（圖3）可以看出，犁架最大值變形量為16.9 mm，彈性應(yīng)變?yōu)?.001 6 mm，等效應(yīng)力為243.78 MPa，45 號鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa。由此可見，在犁體最大阻力下翻轉(zhuǎn)犁的犁梁是安全的。綜合結(jié)果可知，在犁體耕作阻力最大的情況下翻轉(zhuǎn)犁犁架的最大應(yīng)力值小于45號鋼的屈服強(qiáng)度極限值，因此翻轉(zhuǎn)犁犁架符合設(shè)計(jì)要求[4]。

圖3 最大阻力靜力學(xué)分析結(jié)果

4 犁梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析

犁架的模態(tài)分析沿用靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格劃分及最大工況載荷，如圖4所示。

圖4 模態(tài)分析圖

將受力載荷添加至犁架，計(jì)算得到犁架的6階模態(tài)振型圖，各階頻率值如表2所示。犁架隨著頻率的上升，其總體變形量是下降的，并且可以看出第一階變形量最大，通過犁架1階和2階模態(tài)云圖可以看出犁架在195.29 Hz和198.63 Hz時(shí)變形主要集中在犁架尾端，也是犁架最容易產(chǎn)生變形的地方最大變形量分別為7.04 mm 和6.09 mm；通過3階至6階的模態(tài)云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著震動頻率的增加其變形量在減小，主要變形為犁架自身產(chǎn)生的扭曲變形。當(dāng)外部產(chǎn)生的震動頻率不超過1階固有頻率的75%時(shí)，就不會引起共振產(chǎn)生變形。在拖拉機(jī)前進(jìn)速度為10 km/h耕深為300 mm時(shí)其工作時(shí)所產(chǎn)生的頻率遠(yuǎn)小于1 階固有頻率，因此當(dāng)機(jī)具在工作時(shí)犁架不會產(chǎn)生共振，不會產(chǎn)生變形，共振特性滿足工作要求[5]。

表2 犁架6階模態(tài)頻率

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的犁架通過ANSYS仿真分析，在靜力學(xué)結(jié)構(gòu)及動力學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)犁架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度完全滿足翻轉(zhuǎn)犁的使用強(qiáng)度。在犁體耕作時(shí)產(chǎn)生的最大和最小耕作阻力對犁架的影響都在犁架材料強(qiáng)度的范圍內(nèi)。該犁架的分析可為翻轉(zhuǎn)犁的工作穩(wěn)定性及可靠性設(shè)計(jì)提供參考。