基于ANSYS的破冰除雪凹盘刃口角度优化设计①

魏鑫宇， 刘新柱， 王俊发

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

冬季我国东北、华北和西北大部分地区降雪比较频繁，而且雪量大，在短时间内很难迅速清除.由于这些地区昼夜温差大，路面上未被及时清理的积雪很容易出现昼融夜冻的现象，再加上道路上来往车辆的反复碾压，路面就会形成一层上表面有薄薄冰膜的压实雪[1－2].城市路面压实冰雪清除设备是针对这种类型的冰雪混合物研制的，其关键部件破冰除雪凹盘的主要功用是切碎并掀动路面压实的冰雪，并尽可能减少对路面的损伤.在工作过程中，破冰除雪凹盘边缘的刃口受力较大且集中，更容易磨损变形，应具有较高的强度和耐磨性.传统的设计过程比较复杂，而且又费时费力.采用ANSYS 11.0有限元软件可以对不同刃口角度的破冰除雪凹盘进行静强度有限元分析，并择优选取凹盘的刃口角度，可以有效简化设计过程，降低设计成本，为破冰除雪凹盘的优化设计提供理论依据.

1 破冰除雪凹盘的阻力模型

破冰除雪凹盘在作业时受到的阻力主要为空间内两个非汇交的力N和R，如图1所示.力R作用在凹盘的刃口竖直平面内，并与水平中心线呈夹角Ψ，力R的作用线通过凹盘中心轴线后方ρ处.力N垂直刃口的竖直平面，其作用线通过凹盘刃口边缘，距离压实冰雪层底h≈，到凹盘竖直中心线的距离为l.因为ρ和l的数值比较小，为了分析方便，将ρ和l设为零，可得力R经过凹盘刃口竖直平面的中心，力N垂直作用于凹盘刃口竖直中心线上的力学模型.

图1 凹盘的阻力模型

2 破冰除雪凹盘的的有限元受力分析

根据国家相关机具标准:此类凹盘的刃口角度应在 15 ～20°之间[3].本文采用抽样法选取 15°，17°，18°和20°的刃口角度，对不同刃口角度的凹盘分别进行有限元受力分析.

图2 破冰除雪凹盘三维实体模型

图3 刃口角度为15°的凹盘网格划分示意图

图4 刃口角度为15°的凹盘应力云图

2.1 创建有限元模型

通过三维建模软件Pro/Engineer分别绘制凹盘刃口角度为 15°，17°，18°和 20°的破冰除雪凹盘三维实体模型，以15°刃口角为例，其三维实体模型如图2所示.然后将这4个零件文件类型另存为IGES格式，分别导入到ANSYS软件中.

图5 刃口角度为17°的凹盘应力云图

图6 刃口角度为18°的凹盘应力云图

图7 刃口角度为20°的凹盘应力云图

图8 刃口角度为15°的凹盘应力详解

2.2 划分单元网格

1)单元类型:破冰除雪凹盘有一定厚度，所以，采用实体单元Solid45.Solid45类型用于三维实体结构模型，该单元有塑性、应力强化、大变形和大应变能力.

图9 刃口角度为17°的凹盘应力详解

2)材料系数:破冰除雪凹盘材料采用优质碳素结构钢65Mn，该材料的密度是7850kg/m3，弹性模量是1.96 ×105MPa，泊松比是 0.3.为了研究凹盘刃口的强度特性，分析在工作载荷下所受的应力，将模型简化，忽略了一些圆角.

3)划分网格:由于破冰除雪凹盘的结构简单并且形状不规则，采用自适应控制自由网格划分方法划分网格[4].完成划分的模型以15°刃口角为例(如图3所示).

2.3 施加载荷和约束并求解

通过查阅机械设计手册并根据材料属性进行基本的理论计算[5]，可知凹盘刃口的最大压力载荷为490Pa.在施加压力载荷选项下，拾取凹盘底部刃口处由划分网格自然形成的相邻8个节点，并输入压力载荷常量490Pa.

为了简化凹盘刃口的强度特性分析，减少其他次要约束对分析的干扰，只在凹盘轴孔处设置约束所有自由度.

运行Solution→Solve→Current LS，进行凹盘的静结构有限元分析.

3 分析结果

在ANSYS软件后处理器查看结果的选项中选择显示最大主应力云图，得到4种不同刃口角度的凹盘应力云图，如图4至图7所示.

通过ANSYS软件后处理器中显示结果选项的显示最大主应力云图，得出4种不同凹盘刃口角度所受的应力详解表格，如图8至图11所示.

根据图8至图11整理出4种不同凹盘刃口角度的应力最大值，如表1所示.

表1 破冰除雪凹盘应力最大值

从表1中可以看出，相同受力条件下凹盘刃口角度为20°的破冰除雪凹盘所受的最大应力比较小，故选取20°作为凹盘的刃口角度.

图10 刃口角度为18°的凹盘应力详解

图11 刃口角度为20°的凹盘应力详解

4 结论

(1)建立了破冰除雪凹盘的阻力模型，分析了凹盘在工作过程中的受力状态，为凹盘进行有限元分析施加载荷提供了依据.

(2)通过创建破冰除雪凹盘有限元模型，分析应力云图和应力详解，得出凹盘所受的应力最大值并进行比较，择优选取了20°的刃口角度，为破冰除雪凹盘的设计提供了参考依据.

[1]邓洪超，马文星，荆宝德.道路冰雪清除技术及发展趋势[J].工程机械，2005(12):41－44.

[2]Richard D，Embry，Indianapolis.Snow Removal Divice[P].US20090249658A1，2009.10.

[3]佚名.农业机械设计手册[M].北京:中国农业科学技术出版社，2007:261－276.

[4]初旭宏，王俊发，邱聪雨.基于ANSYS的深耕挖掘犁刀强度分析[J].佳木斯大学学报:自然科学版，2009，7(4):545－546.

[5]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2004.