基于ANSYSWorkbench的太阳能田园管理机开槽刀模态分析

王青 周东华

关键词：太阳能田园管理机;开槽刀;模态分析

中图分类号：TG502      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0072-03

Abstract：Slotting knife is an important part of solar farm management machine slotting. The natural frequency and mode of vibration of slotting knife will affect the reliability and safety of the whole machine to a great extent. Therefore，the three-dimensional solid model of slotting cutter is established by software Pro/E，and the model is imported into finite element analysis software ANSYS. The modal analysis of the model is carried out. The first six natural frequencies are extracted and compared with the frequencies of external loading. The analysis results show that the strength and stiffness of slotting cutter meet the design requirements，and the vibration effect is very small，and resonance will not occur，which will lead to the machine being destroyed.

Keywords：solar energy pastoral management machine;slotting cutter;modal analysis

0  引  言

由于田园地形多为丘陵或者山地，具有机械操作空间较小、土壤潮湿的特点，太阳能田园管理机既要满足机械功能要求又要满足田园农艺要求，并且要尽量减小电动管理机的体积，使整机的结构紧凑。在目前的管理机设计中，由于机械和土壤环境等条件的限制，还没有发现可以用于田园开槽的相关机械设备。对于田园里面的植物，由于其自由生长而产生的根茎杂错相交，不利于植物的生长。故研究设计一种可以切断根系又符合绿色发展理念的太阳能田园管理机，有其现实意义和必要性。田园管理机开槽功能是为了减少劳动强度，该设计的预期目标是使应用于田园环境的电动管理机具备开槽功能，槽宽约为60mm。

随着经济的快速发展，人们生活水平的逐渐提高，田园管理工作机械化的需求越来越明显，太阳能田园管理机有助于减少管理者的劳动强度，提高工作效率。由于田园工作环境相对复杂，因此太阳能田园管理机必须要安全可靠以保证人们的操作安全。

太陽能田园管理机的开槽设备是管理机进行开槽时切断植物根茎的核心设备，因此，此设备必须要安全可靠，以免影响到整个机器的工作质量以及工作人员的人身安全。开槽刀的设计是否安全合理关系到整机能否正常而有效地工作，所以它在结构设计上，刚度和强度必须要满足设计需求。开槽刀在设计过程中，为了验证它是否安全合理，在设计过程中用软件对开槽刀模型进行模态分析，对开槽刀的振动参数进行分析。通过运用Pro/E软件对开槽刀建立三维几何模型，并利用有限元分析软件对它的结构进行仿真计算，可以降低开槽刀的设计成本。运用ANSYS有限元分析软件来实现对太阳能田园管理机开槽刀的动态特性分析。针对本文中开槽刀的结构特点，对开槽刀进行了模态分析，验证该设计是否合理。

1  有限元模型的建立

开槽刀既要满足开槽断根茎的要求又要满足结构简单实用的要求。在设计开槽装置时，要设计环境适应性强、结构精简的装置，其主要由主轴孔、刀盘、刀头等零件焊接而成。开槽刀的主要结构参数如表1所示。

运用ANSYS Workbench有限元分析软件对太阳能田园管理机开槽刀进行模态分析，首先要对所设计的开槽刀建立三维实体模型。

建立模型的方式有两种：一是利用绘图工具箱里的特征创建线或者表面体设计生成3D模型;二是利用导入外部几何体文件特征直接创建三维实体模型。

一般建模选第二种，即通过其他绘图软件建好模型后，将模型转换成ANSYS可识别的格式，然后将所建的模型转换格式导入ANSYS中对模型进行模态分析。本文首先运用三维绘图软件对开槽刀建立三维实体模型，然后再转换为STP格式，最后将STP格式的开槽刀模型导入到ANSYS中。建立后的开槽刀三维模型如图1所示。

把建好的模型导入ANSYS后，进入分析模块。在结构设计中，为了验证所涉及的开槽刀是否安全可靠，对开槽刀模型进行模态分析，可以为设计的安全性和合理性的判断提供理论依据。在进行模态分析的过程中，需要满足以下假设条件：满足小变形理论;材料为线弹性材料;分析不受载荷、惯性与温度的影响。

1.3  材料属性

本文中开槽刀由刀头与刀盘组成：刀头与刀盘通过焊接的方式连接，刀头的材料为65Mn，刀盘的材料为45钢，材料属性如表2所示。

对于三维几何体，ANSYS中的网格划分方法包含自动划分法、四面体划分法、六面体主导法、扫掠划分法等。本文采用自动划分法对模型进行网格划分，共产生124971个节点和59748个单元。划分完网格的开槽刀模型如图2所示。

对开槽刀进行模态分析就是要确定所设计的开槽刀的固有频率和振型。开槽刀的每一个模态都具有特定的固有频率和振型，对于模态分析，通过公式计算得出振动频率ωi和模态Φi。

对开槽刀进行模态分析获得开槽刀的固有频率和振型，从而验证开槽刀是否在一定范围内产生共振破坏现象。分析时，对开槽刀主轴孔采用两端面固定以及约束x轴和z轴方向的转动。所以，在对开槽刀进行模态分析时，开槽刀主轴的轴向位移和径向位移都受到了限制。经ANSYS分析得到相应的振型如图3～图8所示。

由振型云图可以得出，开槽刀的刀头附近的振动最强烈。由分析公式计算得出，开槽刀在进行开槽时，动力是通過传动轴传递给开槽刀并带动开槽刀旋转，开槽刀的振动是沿着刀头向外逐渐加强，导致刀头的外边缘容易发生弯曲。在开槽刀前振型中，固有频率在385.91～914.12Hz之间，随着模态阶数的增加，固有频率也在增加。开槽刀的设计转速，远低于1阶模态下的固有频率385.91Hz时的速度。根据分析，可以判断出所设计的开槽刀是安全可靠的，不会发生共振破坏现象。

3  结  论

（1）通过对太阳能田园管理机的开槽刀进行模态分析可知，开槽刀振动最强烈的部分是刀头外边缘，并且开槽刀的刀头外边缘相对容易发生振动弯曲变形。

（2）根据对开槽刀进行模态分析的结果，验证了太阳能田园管理机的开槽刀设计的安全性，确保了机器设备的整体性。

（3）运用建模软件对开槽刀进行建模，将模型导入ANSYS Workbench中进行模态分析，获得了开槽刀前6阶固有频率和最大载荷，为后续的设计研究提供了研究依据。

参考文献：

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作者简介：王青（1976.12-），男，汉族，江西九江人，工程师，本科，研究方向：机械制造及自动化。