基于ANSYS的铺膜机机架有限元分析

张肖敏，郑德聪

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

基于ANSYS的铺膜机机架有限元分析

张肖敏，郑德聪*

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

[目的]机架作为铺膜机结构的支撑部件，其静态力学特性直接影响整机的强度和刚度。为了解机架在运输状态和工作状态时的受力和变形情况，保证铺膜效果，对铺膜机机架进行有限元分析。[方法]基于UG软件建立铺膜机机架的三维模型，利用ANSYS Workbench建立机架的静力学模型，分析机架的受力特点并计算出机架危险点处的应力应变值。[结果]对机架进行静态结构分析，得到机架应力和位移变形结果。铺膜机机架静力模型的最大位移变形为0.90 mm，机架静力模型的最大应力值为34.04 MPa，远小于许用应力值。[结论]对静态模型结果进行分析，表明机架的强度和刚度满足使用要求。

铺膜机； 机架； 有限元； 静力分析

田间铺膜技术具有增温、保湿、保水、保墒等效应，可提高农作物生产的产量和品质，因而得到了广泛的应用[1]。铺膜机的使用促进了田间铺膜技术的发展。现有的铺膜机虽可一次完成开沟、压膜、覆土等作业，但作业开始时，除动力操作人员外，还需配备辅助人员完成作业开始时的拉膜作业以及单程作业完成时的断膜作业，这样既增加了人的劳动强度，也影响了作业效率。为此，在现有铺膜机的基础上增设铺膜机自动拉膜和切膜机构，不仅有利于提高铺膜机的自动化程度和工作效率，而且还可减轻人的劳动强度。铺膜机作业质量的好坏直接影响铺膜技术的应用效果。机架作为铺膜机结构支撑部件，其强度和刚度对机器工作性能影响较大。因此研究分析铺膜机机架的应力、应变和位移规律，对提高铺膜机的工作性能具有重要的意义[2～4]。为此，本文利用ANSYS Workbench软件平台，以铺膜机机架为研究对象，对机架进行静力学分析[5～7]，为机架结构的改进和优化提供依据。

1 机架结构的静力分析

1.1 力学模型

图1 运输工况的力学模型Fig.1 The force model of frame in transiting condition

图2 工作工况的力学模型Fig.2 The force model of frame in working condition

1.2 有限元分析模型1.2.1 三维模型的建立

运用UG NX10.0软件建立机架的三维模型，保存为x_t格式[8，9]，导入ANSYS Workbench14.0系统，并进入 DesignModeler环境重新生成，形成如图3所示的有限元分析模型。

图3 机架的三维模型Fig.3 Three dimensional entity of frame

1.2.2 材料属性

机架材料为农用型钢，材质Q235，屈服极限σS=235 MPa，弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg·m-3。

1.2.3 单元选择

四面体网格划分方法可以对任意几何体划分四面体网格，在关键区域可以使用曲率和近似尺寸功能自动细化网格，并能弥补用六面体单元划分形状复杂的模型可能出现不完整六面体的缺陷，因此分析采用四面体单元进行网格划分[10]。

1.2.4 网格划分

为简化分析计算过程，将机架的焊接部分设定为一体进行网格划分。机架网格划分后的有限元模型如图4所示。网格中共有7 792个单元，18 294个节点。

1.3 边界条件分析与处理

边界条件由惯性载荷、结构载荷和约束等组成。惯性载荷作用在整个分析模型上，与模型质量有关，因此必须在材料属性中设置材料的密度。惯性载荷通过施加惯性加速度来实现，将该加速度产生的惯性力加载到模型上。在对机架进行静力分析时，模型的惯性载荷只有重力加速度，因此向该模型施加惯性载荷—重力加速度，方向为-Z方向。结构载荷是指作用在模型或者模型某一部分上的力或者力矩。约束是结构中限制结构系统或者部件在一定范围内移动[11～13]。

图4 机架网格划分模型Fig.4 Meshing model of the frame

1.3.1 运输工况边界条件处理

(1)力的边界

铺膜机机架各对应位置安装部件如表1所示。在运输过程中机架的主要载荷为各部件的重力及其对前端横梁的力矩。自重通过惯性载荷施加。根据公式(1)：

(1)

将表1中各对应值带入(1)，计算得M1=468 477.21 N·mm。

在ANSYS Workbench中可以直接创建局部加力面施加载荷。图1所示的各力也均为局部面力，各力的大小及加力面节点编号如表1所示。

表1 机架安装部件

(2)位移边界

运输工况下，前端横梁通过三点悬挂机构与拖拉机相连，因此在与横梁连接处施加固定约束，即令UX=0，UY=0，UZ=0。施加约束面的节点编号为490～507，690～707，736～742，2 294～2 309，4 587～4 609，5 484～5 507。

1.3.2 工作工况边界条件处理

(1)力的边界

铺膜一般在耙地之后土块较小、地面较平整的情况下作业。在农业机械中，单个轻型圆盘的耙地深度为10 cm，牵引阻力为2～3 kN[14]。在工作工况下，安装在机架上的储膜机构、拉膜动力输出部分、拉膜双棍机构以及切膜机构悬挂于机架，对机架的作用力仍为重力，因此机架在这些部件安装位置力的大小及加力面节点编号与运输工况相同(如表1所示)。假定铺膜作业匀速进行，安装在机架的起土机构和覆土机构会与土壤作用产生阻力并作用于机架，因此，起土机构和覆土机构对机架的作用力变成水平方向的牵引阻力，且阻力小于耙地时的牵引阻力。取最大牵引阻力进行分析，在工作工况安装起土机构和覆土机构处力的大小及加力面节点编号如表2所示。

表2 工作工况力的边界条件

Table 2 The boundary condition of force in working condition

载荷代号Thecodeofforce载荷大小/NMagnitudeofloads加力面上的节点编号ThenodesnumberofimprintfaceF13000551～560,4866～4883F'13000761～770,5786～5803F2300013698～13711F'2300018071～18084

(2)位移边界

工作工况下，位移边界与运输工况相同。此外，工作工况覆土机构与地面接触，覆土机构与机架连接处施加固定约束。

1.4 分析结果

1.4.1 运输工况

由ANSYS Workbench分析，可得到机架在运输过程中的位移及应力云图。机架位移变形分布云图如图5所示，分析位移变形云图，可知机架的最大位移为0.90 mm，发生在门形机架两侧安装覆土机构处。

图5 运输状态机架位移变形分布云图Fig.5 Displacement of frame in transiting condition

机架的等效应力分布云图如图6所示。由于Q235属于塑性材料，选用第四强度理论进行校核[15]。强度条件为：

(2)

其中，[σ]为许用应力；σs为屈服极限；n为安全系数。

Q235的屈服极限为235 MPa，安全系数n取1.5，代入式(2)得到许用应力[σ]为156.67 MPa。

分析图6可知，机架应力最大值为16.33 MPa，远小于许用应力156.67 MPa，则机架的强度满足使用要求。

图6 运输状态机架等效应力分布云图Fig.6 Stress distribution of frame in transiting condition

1.4.2 工作工况

由ANSYS Workbench分析，可得到机架在工作工况下的位移及应力云图。机架位移变形分布云图如图7所示，分析位移变形云图，可知机架的最大位移为0.06 mm。

图7 工作工况机架位移变形分布云图Fig.7 Displacement of frame in working condition

机架的等效应力分布云图如图8所示。分析图8可知，机架应力最大值为34.04 MPa，远小于许用应力值156.67 MPa，则机架的强度满足使用要求。

图8 工作工况机架等效应力分布云图Fig.8 Stress distribution of frame in working condition

2 结论

(1)采用矩形管组成的铺膜机焊接钢架，运输工况下静力分析的最大位移和最大应力值分别为0.90 mm和16.33 MPa，许用值为156.67 MPa，所以满足运输工况下强度和刚度要求。

(2)机架工作工况下静力分析的最大位移和最大应力值分别为0.06 mm和34.04 MPa，远小于许用应力值156.67 MPa，所以该机架既可以保证整机作业质量，又能够满足整机刚度和强度要求。

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(编辑：李晓斌)

Finite element analysis of frame of the film laying machine based on ANSYS

Zhang Xiaomin， Zheng Decong*

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，ShanxiTaigu030801，china)

[Objective]The static characteristics of the frame directly affect its strength and stiffness as the supporting component of film laying machine. In order to know the stress and deformation of the frame in transiting condition and working condition, the finite element analysis was carried out on the frame of the film laying machine to ensure the effect of the film laying.[Methods]In this paper, using the UG software established the three-dimensional model of the frame of the film laying machine, using the ANSYS Workbench established the static model, analysis and calculation of the stress and strain at the risk point of the frame.[Results]We could obtained the deformation results of the frame stress and displacement in static structure analysis of frame. We knew the maximum displacement of the static model of the film laying machine frame was 0.90mm, and the maximum stress value of the frame static model was 34.04Mpa, which was much smaller than the allowable stress value.[Conclusion]The results of static model analysis showed that the strength and stiffness of the frame met the use requirements.

The film laying machine， Frame， Finite element， Static analysis

2016-11-04

2016-11-22

张肖敏(1989-)，女(汉)，山西临汾人，硕士研究生，研究方向：农业机械设计

*通信作者：郑德聪，教授，硕士生导师，Tel：0354-6288906；E-mail：zhengdecong@126.com

S233.9

A

1671-8151(2017)02-0146-05