深松铲柄的有限元分析与优化

卢祺安军锋王安郝建军

1、河北农业大学机电工程学院2、河北省农业信息中心

深松铲柄的有限元分析与优化

卢祺1安军锋2王安1郝建军1

1、河北农业大学机电工程学院2、河北省农业信息中心

深松铲作为深松机具的主要部件，其品质直接影响深松效果乃至整机的作业性能。应用三维参数化建模软件INVENTOR对市售主流深松铲柄进行了三维实体造型，采用有限元分析软件ANSYS对其变形和应力进行了分析，结果表明，其强度、刚度能够达到设计要求，但铲柄下端存在细微变形，且铲柄与铲尖连接处存在应力集中情况。针对上述分析结果，对铲柄进行了优化设计。

深松铲柄；INVENTOR；ANASYSWORKBENCH；有限元分析；优化设计

我国许多地区连续多年用旋耕机进行浅翻、旋耕作业，致使耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[1]，又称“亚表土层”。对于耕作土壤来说，具有不太厚的犁底层对保持水分养分是很有益的，但当犁底层过厚（20cm）[2，3]、坚实，会影响作物根系下伸及土壤通气透水。解决方法之一即深松作业。深松作业时土壤被深松铲陆续抬起后又逐步回落到原位，通过土壤的上下移动以及撕裂、挤压和扰动作用，有效破坏犁底层，从而改善土壤耕层结构，增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力。深松铲是深松机的主要工作部件，在深松作业时承受复杂、随机变化的冲击载荷，是深松机设计的难点和重点[4]。传统的类比设计方法是在经验的基础上进行的，对深松铲的结构和尺寸以及载荷的设计都不够精确。有限元法是一种在工程中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，其在机械结构强度和刚度上有较高的计算精度。本文对国标深松铲柄进行了有限元强度分析，同时对其铲柄结构进行了优化。

1 深松铲柄受力分析

深松工作部件可以分为两部分：一是倾斜AB斜面（具有固定铲尖、破土和起土的作用，能够减少深松阻力）；二是上部垂直部分BC（固定深松铲作用）。其受力情况如图1所示。

图1 铲柄受力图

工作时，机具以速度V前进，与水平面成α角的斜面AB相当于一个单楔面。土壤对其作用力FN垂直于AB面，近似作用于AB段中点。行进中，有一个沿AB面指向后方的摩擦力f，力FN与力f合成阻力R。阻力可以分解为水平分力Rx和垂直分力Ry，垂直分力Ry是作业时工作部件抬起耕层土壤，起到松动耕层的有用阻力与其同时产生的水平分力Rx为工作时牵引阻力的一个组成部分。

除上述AB斜面所受阻力外，尚有BC段工作阻力FP。阻力FP与前面的水平分力Rx合成了工作部件的总牵引力，而阻力FP与合成阻力R合成了工作部件的总阻力[5，6]。

2 深松铲柄的三维建模与有限元分析

2.1 铲柄的三维模型

图2 深松铲柄三维模型

由农业机械设计手册中轻型深松铲柄的设计标准可知[7]，整个铲柄的长约600mm，铲柄与铲刃的上部约为310mm，下部约为290mm，铲柄厚度为18mm。连接铲尖的部分与水平方向成23度角，这样是为了确保深松铲在入土后铲柄部分仍然具有相当的入土趋势。深松产柄采用65Mn制造，其材料属性为：杨氏模量197GPa，泊松比0.23，质量密度7.81×103kg·m-3，屈服强度785MPa，抗拉强度980GPa。INVENTOR参数化设计后的铲柄三维模型如图2所示。

2.2 单元划分

INVENTOR与ANSYS能够实现无缝连接，通过两者之间的接口将实体模型导入ANSYSWORKBENCH工作界面中，采用自由网格划分，网格形状为8个节点的四面体，SMART网格。如图3，其铲柄模型节点个数1294个，单元数为591个。

图3 网格划分结果图

2.3 铲柄的材料定义、载荷及边界材料的添加

按照65Mn的材料属性，在WORKBENCH中添加材料。然后在三维模型上添加载荷和边界条件（图4）：载荷按照沈阳农业大学牛彦通过土槽实验分析，确定深松铲作业载荷，其铲尖受力平均水平力为1800N和平均垂直力为2870N[4]；为了模拟深松铲真实工作情况，故在铲柱的两个螺栓孔施加约束，限制3个移动自由度以及2个垂直于孔轴线方向的转动自由度[8]。

图4 65Mn载荷及边界材料的添加

2.4 计算结果分析

在WORKBENCH中对铲柄模型进行有限元分析（图5）。

图5 深松铲柄有限元分析结果

（1）由图5中（a）图可知，等效应力最大值在铲柄底部，其最大值为104.88MPa，小于材料的屈服强度。

（2）由图5中（b）图可知，铲柄上部位置的应力较大，最大主应力位于铲柄与铲尖连接处，其值为84.254MPa。其最大应力在允许的范围内，即结构的强度、刚度满足设计要求[9]。

（3）由图5中（c）图可知，最小主应力的最大值同样位于铲柄与铲尖连接处，其最大值为5.1695MPa。

（4）由图5中（d）图可知，铲柄的最大变形处也位于铲柄和铲尖连接处，最大变形值为0.50116mm，越接近后部变形越小。

（5）由图5中（e）图可知，其安全系数均大于1，满足设计的要求。

3 优化分析

通过计算结果可知，铲柄下端存在细微变形量，铲柄与铲尖连接处存在应力集中的现象。故应当适当增加铲柄与铲尖连接处的宽度或厚度[10]；增加铲柄下端过渡圆角半径；同时为节省材料，在满足耕深的要求下，可适当减少铲柄垂直部分的长度。

将铲柄与铲尖连接处厚度由12mm变为17mm；过渡圆角由R10变为R20；在满足耕深的条件下，将铲柄垂直部分减少50mm。对优化后的铲柄重新建模，对其进行有限元分析，结构为：等效应力最大值72.058MPa，相比原来约降低31%；最大主应力最大值变为49.847MPa，相比原来约降低41%；最小主应力最大值变为2.1185MPa，相比原来约降低59%；变形量变化不太明显；安全系数最小值变为10.849，相比原来约增加31%；质量相比原来减少7.7%。通过优化铲柄结构，除变形量外，其各项参数相比原来变化显著，提高了铲柄的性能。

4 结论

深松铲作为受力部件，用传统的方法校核并优化结构，其过程过于复杂繁琐。通过INVENTOR建立三维模型，给其模型添加材料属性后，通过ANASYSWORKBENCH进行有限元分析，可很快得出应力、变形、最小安全系数等参数。通过多次建模与分析的反复迭代，能够实现快速的优化设计，得到满意的深松铲柄的三维模型，简化了优化设计过程。

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[2]孙士鹏,高峰.玉米种植技术要点[J].农业科技与装备,2014 (07)：3～4+6.

[3]于程.2015农机发展新方向[J].农业机械,2015(05)：39.

[4]牛彦,王瑞丽,毛昆.基于COSMOS/works的深松铲强度有限元分析[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2008(03)：195～197+202.

[5]王微.中耕分层深松技术研究及深松部件的有限元分析[D].沈阳农业大学,2011.

[6]丁永凯,丁健伟.深松部件的工作性能分析及其应用[J].农机化研究,1990(02)：41～47.

[7]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].中国农业科学技术出版社,2007.

[8]王宏立,张伟.基于Pro/E和ANSYS的深松铲有限元分析[J].农机化研究,2010(12)：33～36.

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[10]陈伯雄,董仁扬,张云飞.AutodeskInventorProfessional 2008机械设计实战教程[M].化学工业出版社,2008.