基于ANSYS Workbench的微耕机旋耕刀有限元分析*

朱留宪，杨 玲， 朱 超，武友德，杨明金

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳 618000； 2.西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

基于ANSYS Workbench的微耕机旋耕刀有限元分析*

朱留宪1，杨 玲2， 朱 超1，武友德1，杨明金2

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳 618000； 2.西南大学 工程技术学院，重庆 400715)

以微耕机旋耕刀为研究对象，运用Pro/E软件建立了旋耕刀的三维模型，基于ANSYS Workbench有限元分析软件对旋耕刀进行了应力、变形、应变分析。分析结果表明：旋耕刀总变形最大处在旋耕刀的正切部，表明正切部刚度最差；旋耕刀最大应力与应变区域在刀柄与刀背连接处，与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致，验证了有限元分析的可靠性，为旋耕刀的进一步优化设计提供了理论依据。

微耕机;旋耕刀;ANSYS Workbench;有限元

1 引 言

微型耕耘机指功率不大于7.5 kW，可直接由驱动轮轴驱动旋转工作部件，主要用于水旱田整地、田园管理及设施农业等耕耘作业的机动耕耘机。微耕机体积小、重量轻，适于在丘陵山地、小面积田块和温室大棚作业，在我国应用广泛，已经成为丘陵山地提升农业机械化水平的有力工具[1]。微型耕耘机的动力最终传递给旋耕刀，使旋耕刀与土壤间相互作用，实现翻土和碎土，并消灭杂草、覆盖残茬以及改良土壤。旋耕刀是微型耕耘机旋耕部件最重要的组成部分。传统的设计方法根据作用在刀轴上的载荷采用静强度估算，然后通过加大安全系数的办法来满足强度要求，只是一种估算，凭经验，没有理论依据做参考，旋耕刀在耕作过程中容易折断，从而影响刀受力和工作平稳性。

近年来，力学分析方法、离散单元法(DEM)和有限单元法(FEM)等在土壤切削过程研究中得到了广泛应用，应用有限单元法对旋耕刀进行分析，可在设计图纸变成产品前对其应力、应变及变形等有充分认识，从识，了解旋耕刀的应力和变形情况，从而缩而缩短产品设计和实验周期，节省大量费用，提高产品可靠性[3]。

2 旋耕刀模型建立

三维实体模型主要运用描点法和参数法。由于描点法建立模型迅速和准确，在三维软件Pro/E中采用描点法建立旋耕刀三维实体模型[5]。先求取旋耕刀基本平面上各点的坐标，然后用光滑曲线把每个点连接起来，形成旋耕刀的基本曲面形状，运用拉伸、旋转和切割等命令，建立出旋耕刀三维实体模型[6]，如图1所示。

图1 旋耕刀三维模型图

3 有限元模型的建立

ANSYS Workbench和Pro/E之间建立了无缝接口，在Pro/E中建立好旋耕旋耕刀模型后，以igs或者*x-t格式保存旋耕刀实体，在Workbench DM 模块中导入实体，根据标准数据建立的CAD 模型，导入到ANSYS Workbench 中[7]，进行旋耕刀的网格划分，建立旋耕刀的有限元模型。由于旋耕刀曲面复杂，对旋耕刀以四面体形式进行自由网格划分，并控制旋耕刀网格尺寸，细化网格，以便更好地对旋耕刀进行有限元分析。

4 材料及边界条件加载

旋耕刀材料选取65Mn钢，密度为7.83×103kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，采用此种材料的刀片具有较高的使用寿命，且机械性能符合要求[9]。旋耕刀通过安装孔固定在旋耕刀辊刀座上，因此在旋耕刀安装孔处施加固定约束。旋耕刀在耕作土壤时，旋耕刀的侧切刃首先接触土壤，随着耕深的不断加大，过渡面刃口以及正切刃依次切削土壤，因此施加作用力的边界条件为：分别在侧切刃、过渡面刃口以及正切刃处施加垂直于刃口方向500 N的力[10]，添加总变形、应力和应变进行求解。

5 结果分析

由旋耕刀分析结果可看出：旋耕刀总变形最大处发生在离固定约束最远处，即旋耕刀的正切部．表明正切部刚度最差，最小变形在刀柄处，如图2所示。应力最大处发生在被约束部位安装孔附近，即刀柄与刀背连接处，产生较大应力集中，与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致，验证了仿真分析的可靠性；应力最小处在正切部，如图3所示。弹塑性应变最大处和最小处与应力结果一致，如图4所示。

图2 变形分析结果 图3 应力分析结果

图4 应变分析结果

6 结 论

以微耕机旋耕刀为研究对象，运用Pro/E软件建立了旋耕刀的三维模型，基于ANSYS Workbench有限元分析软件对旋耕刀进行了应力、变形、应变分析。分析结果表明：旋耕刀总变形最大处在旋耕刀的正切部，表明正切部刚度最差；旋耕刀最大应力与应变区域在刀柄与刀背连接处，与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致，验证了有限元分析的可靠性，找到了旋耕刀在工作过程中的薄弱环节，为旋耕刀具的进一步优化设计提供了理论依据。

[1] 朱留宪,杨 玲,杨明金,等.我国微型耕耘机的技术现状及发展[J].农机化研究,2011,33(7):236-239.

[2] 周 明,张国忠,许绮川,等.土壤直角切削的有限元仿真[J].华中农业大学学报,2009,28(4): 491-494.

[3] 姜 康,曹文钢,于振华,等.半承载式客车车身梁体混合有限元模型分析[J].农业机械学报,2007,38(7): 189-192.

[4] GB/T 5669-2008.微耕机械刀和刀座[S].

[5] 高玉芝,王君玲,雷晓柱.基于Solidworks的旋耕刀实体建模与有限元分析[J].农业机械,2010(5):136-137.

[6] 朱曙光,毛鹏军,胡春燕.浅述旋耕刀设计技术的发展[J].农业装备技术,2009,35(2):21-29.

[7] 朱留宪.基于SPH算法的微耕机旋耕刀有限元仿真与优化[D].重庆:西南大学,2012.

[8] 梁建术,苏 强,李欣业.基于ANSYS Workbench流固耦合输液波纹管的模态分析[J].机械设计与制造,2013(2):91-93.

[9] 赵玉凤,王宏宇,王 荣,等.旋耕刀用65Mn钢表面渗铬工艺优化及其耐磨性研究[J].农机化研究,2012, 34(10): 156-160.

[10] 葛 云,吴雪飞,王 磊,等.基于ANSYS微型微耕机旋耕旋耕刀的应力仿真[J].石河子大学学报,2007,5(25):627-629.

Finite Element Analysis of Mini-Tiller Rotary Tillage Based on ANSYS Workbench

ZHU Liu-xian1, YANG Ling2, ZHU Chao1, WU You-de1, YANG Ming-jin2

(1.DepartmentofMechanicalElectricalEngineering,SichuanEngineeringTechnicalCollege,DeyangSichuan618000,China;2.CollegeofEngineeringandTechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)

Taking the rotary blade of the mini-tiller as study objects, three-dimensional model of the rotary blade has been created by means of Pro/E software, also stress，deformation and strain of the rotary blade are conducted based on finite element analysis software ANSYS Workbench. The results show that the maximum deformation occurs at the tangent part of the rotary blade，it shows that the tangent part is the poorest, and the maximum stress occurs at the conjunction of the shank and black, which is consistent with the breakpoint of the rotary blade in the process of practical work, reliability of the finite element analysis is verified. This research provides theoretical basis for the further design optimization of the rotary blade.

mini-tiller; rotary blade; ANSYS Workbench; finite element

2013-11-25

国家自然科学基金资助项目(编号：31271610)；西南大学博士基金项目(编号：SWU109006)

朱留宪(1985-)，男，山东菏泽人，助教，研究方向：机械优化设计。

S222.3

A

1007-4414(2014)01-0088-02