基于Inventor的生姜挖掘铲有限元分析

张子军，邱沛韩，钟朝鸷

（广东省现代农业装备研究所，广州　510630）

基于Inventor的生姜挖掘铲有限元分析

张子军，邱沛韩，钟朝鸷

（广东省现代农业装备研究所，广州510630）

为降低生姜收获损失率高现象，以生姜收获机挖掘铲为研究对象，利用Inventor自带的三维建模模块建立生姜收获机挖掘铲部件模块，并使用有限元分析模块对其进行应力、应变分析，并与田间试验结果进行对比，比较理论计算结果与实际测得数据，进而验证所设计的挖掘铲合理性。

Inventor，有限元，三维建模

0　引言

南方生姜收获主要以人工收获及少量机械化收获为主，现有的机械化收获多是借助马铃薯或花生收获机兼收为主，专业的生姜收获机品种少，但现有的挖掘铲对生姜块茎损伤率较高。生姜收获作业中土壤板结严重，机械工作阻力大，工作条件复杂恶劣等诸多因素，要求挖掘铲既要有较高的强度和碎土能力，也要具备减少阻力和避免拥堵的疏排能力。挖掘铲结构直接影响机具的作业性能。因此可根据生姜种植的农艺特点，利用AutoDesk Inventor 2015三维实体造型模块建立挖掘铲的三维模型，并利用附带的有限元分析模块对其进行分析，以获得应力分析、安全系数和变形位移指标，设计出合理的挖掘铲。

1　生姜挖掘铲的结构与工作原理

生姜挖掘铲主要由左右两铲刀和疏导栅条组成，如图1所示。挖掘铲通过螺栓固定到拖拉机液压升降臂上，工作时液压升降臂放下，随着拖拉机前进，牵引着挖掘铲切断垄土壤底层，将生姜掘起，同时土块沿着铲的疏导栅条滑行分离并进一步破碎，从而分离生姜和土块。

图1　生姜挖掘铲结构图Figure.1 The structure of shovel of ginger harvester

2　建立生姜挖掘铲模型

Inventor是一款面向机械设计的CAD三维软件，用于创建三维模型和二维制造工程图。与同类型软件相比，Inventor具有操作用户界面简单、三维运算速度快以及着色功能齐全的特点。其有限元分析模块能够通过零件载荷分析，得出变形量、安全系数以及应力分布［1］。创建挖掘铲有限元模型前，先创建三维实体模型，根据铲的使用和性能要求，对挖掘铲进行初步设计。由于挖掘铲最终整体是焊接成型，而Inventor 2015能够进行焊接体的有限元分析，所以在建模过程中将挖掘铲作为一个焊接部件进行建模，使用焊接件模块进行分析。生姜挖掘铲部件如图2所示。

图2　生姜挖掘铲焊接部件图Figure.2 Welding part of shovel of ginger harvester

2.1选择铲刀材料

选择挖掘铲的材料必须在确保性能的前提下减轻质量，同时节省成本。本挖掘铲铲刀选用65Mn弹簧钢，它有弹性好耐磨损等优点；铲刀厚度为5mm的65Mn弹簧钢，其材料属性如表1。

2.2Inventor中65Mn弹簧钢材料的设定

Inventor应力分析模块中，分析对象的材料只能在软件自带的材料库中进行选择［3］。由于材料库中仅有常用的几种材料，没有65Mn弹簧钢材料，故只能把材料力学性能相近的材料修改为65Mn材料。由Inventor提供的应力分析仅适用于线性材料特性。在这种线性材料中，应力和材料中的应变成正比例，即材料不会永久性地屈服［4］。为确保分析结果的可靠性，本文作如下假设：挖掘铲材料为各向同性的线性材料，与挖掘铲结构尺寸相比，挖掘铲变形量很小。本文选择对Inventor材料库中的普通碳钢物理参数进行修改，调整为65Mn钢物理特性参数，见图3。

图3　65Mn钢特性设置Figure.3 The physical characteristics of 65Mn Steel

2.3挖掘铲受力分析

2.3.1施加载荷

生姜收获机配套的拖拉机的功率为5.88 kW，工作行驶速度为1.2 km/h。挖掘铲所受的力主要是土壤中随着前进方向所受矢量力，理想状态下受力为均布载荷，如图4所示。根据设计要求，载荷的单方向最大值为3 200 N。

2.3.2约束固定

表1　65Mn弹簧钢的材料属性

挖掘铲实际是靠螺栓固定在拖拉机液压升降臂上的。本文在挖掘铲模块中设定为固定于侧边，近似地模拟约束条件，如图5所示（注：图示中红色变亮部分为加约束表面）。

图4　载荷分布图Figure.4 The map of the stress distribution

图5　固定约束图Figure.5 The map of constraining force

2.4挖掘铲网格划分

Inventor 2015有限元分析设置中一般平均元素大小默认值为0.100，可根据需要对网格平均元素进行划分。根据需要的结果精度，确定合适的网格划分精度。数值越小网格精度越高，分析结果越精确。本文设置为默认值0.100精度网格，如图6所示。

图6　网格划分图Figure.6 Finite element gridding model of shovel

2.5分析求解

按照Inventor有限元分析模块的要求，完成所有的前期设置后，点击分析求解。系统会根据模型所受应力大小，网格的疏密、约束条件以及设定的材料物理特性，进行自动计算。

2.6结果分析

Inventor 2015的有限元分析以图表的形式输出，提供了等效应力、第一最大应力、第三最小应力、变形、安全系数等报告，本文选取了典型的等效应力和位移及安全系数的表达图，计算结果见图7-9。

图7　等效应力图Figure.7 The map ofequivalent stress

图8　变形位移图Figure.8 The map of deformation

图9　安全系数图Figure.9 The map of factor safety

3　结论

利用Inventor 2015的有限元应力分析模块，对生姜挖掘铲模型进行分析后得到的分析结果较合理。从挖掘铲总体应力分布图可以看出，等效应力主要分布在挖掘铲中间的突起部位以及栅条末端，应力分析所得数据最大等效应力729.5 MPa低于材料特性值785 MPa；变形分析最大位移量0.423mm，且出现在栅条末端，数值很小几乎可忽略；安全系数为15 UL较高。分析结果与现场生姜挖掘试验结果如表2。

现场试验证明，设计的生姜挖掘铲能满足设计要求，该铲具有结构简单，挖掘效果好，能有效解决生姜收获作业中损失率高、土壤板结、工作阻力大和工作条件复杂恶劣的因素。利用Inventor 2015附带的有限元分析模块对相关的部件进行静力学分析能大大提高设计效率，同时获得较好技术指标，计算的结果对设计工作具有指导意义。

表2　分析结果与现场生姜挖掘试验结果Tab.2 Experimental performance results of shovel

［1］陈伯雄，董仁扬，张云飞.AutoDesk Inventor Professional 2008机械设计实战教程［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［2］冶金工业信息标准研究院.弹簧钢GB/T 1222-2007［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［3］李现友，段伟.Inventor有限元分析模块的实例应用［J］.包头职业技术学院学报，2009，10（4）：20-22.

［4］胡仁喜，康士延，刘昌丽，等 AutoDesk Inventor Professional 2010中文版从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2009：379.

Finite Element Analysis of Digging Shovel of Ginger Harvester Based on Inventor

Zhang Zijun，Qiu Peihan，Zhong Chaozhi
（Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment，Guangzhou 510630，China）

To reduce the high losses rate of the ginger harvest，research the digging shovel in ginger harvester，we have found the component of digging shovel in ginger harvest by the three-dimensional module of the inventor，We has carried on the analysis of stress and strain by the finite element analysis module of the inventor，comparing the results with the actual data，check the design rationality of digging shove.

Inventor，the finite element，three-dimension model

支持项目：华南特色经济作物收获机械中试能力提升（农业厅粤财农【2012】626号）；南方水稻和经济作物机械化收获创新能力（科技厅粤科规财字【2015】17号）

张子军（1977—），男，汉族，广东廉江人，高级工程师，研究方向为种植机械研发与设计。E-mail：rogerzzj@163.com