基于ANSYS的破冰除雪凹盘刃口角度优化设计

基于ANSYS的破冰除雪凹盘刃口角度优化设计
魏鑫宇;刘新柱;王俊发
【摘要】破冰除雪凹盘是山友公司系列除雪机所采用的关键部件,在工作过程中受到压实冰雪和路面的作用力,其刃口特别容易磨损变形,导致工作效率降低.传统的设计方法是通过对不同刃口角度的凹盘试验,选取受力变形较小的刃口角度,这样既浪费试制成本又延长研制周期.采用ANSYS 11.0软件对破冰除雪凹盘的刃口静强度进行了有限元分析,得出不同刃口角度在相同条件下的应力和应变分布图,通过分析受力大小择优选取刃口角度,为破冰除雪凹盘的设计提供了参考依据.
【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(031)001
【总页数】4页(P92-94,105)
【关键词】清雪凹盘;道路积雪;优化设计;有限元分析;ANSYS
【作者】魏鑫宇;刘新柱;王俊发
【作者单位】佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007
【正文语种】中文
【中图分类】U418.3
0 引言
冬季我国东北、华北和西北大部分地区降雪比较频繁，而且雪量大，在短时间内很难迅速清除.由于这些地区昼夜温差大，路面上未被及时清理的积雪很容易出现昼
融夜冻的现象，再加上道路上来往车辆的反复碾压，路面就会形成一层上表面有薄薄冰膜的压实雪[1－2].城市路面压实冰雪清除设备是针对这种类型的冰雪混合物
研制的，其关键部件破冰除雪凹盘的主要功用是切碎并掀动路面压实的冰雪，并尽可能减少对路面的损伤.在工作过程中，破冰除雪凹盘边缘的刃口受力较大且集中，更容易磨损变形，应具有较高的强度和耐磨性.传统的设计过程比较复杂，而且又
费时费力.采用ANSYS 11.0有限元软件可以对不同刃口角度的破冰除雪凹盘进行
静强度有限元分析，并择优选取凹盘的刃口角度，可以有效简化设计过程，降低设计成本，为破冰除雪凹盘的优化设计提供理论依据.
1 破冰除雪凹盘的阻力模型
破冰除雪凹盘在作业时受到的阻力主要为空间内两个非汇交的力N和R，如图1
所示.力R作用在凹盘的刃口竖直平面内，并与水平中心线呈夹角Ψ，力R的作用线通过凹盘中心轴线后方ρ处.力N垂直刃口的竖直平面，其作用线通过凹盘刃口边缘，距离压实冰雪层底h≈，到凹盘竖直中心线的距离为l.因为ρ和l的数值比
较小，为了分析方便，将ρ和l设为零，可得力R经过凹盘刃口竖直平面的中心，力N垂直作用于凹盘刃口竖直中心线上的力学模型.
图1 凹盘的阻力模型
2 破冰除雪凹盘的的有限元受力分析
根据国家相关机具标准:此类凹盘的刃口角度应在 15 ～20°之间[3].本文采用抽样
法选取15°，17°，18°和20°的刃口角度，对不同刃口角度的凹盘分别进行有限元受力分析.
图2 破冰除雪凹盘三维实体模型
图3 刃口角度为15°的凹盘网格划分示意图
图4 刃口角度为15°的凹盘应力云图
2.1 创建有限元模型
通过三维建模软件Pro/Engineer分别绘制凹盘刃口角度为15°，17°，18°和20°的破冰除雪凹盘三维实体模型，以15°刃口角为例，其三维实体模型如图2所示.然后将这4个零件文件类型另存为IGES格式，分别导入到ANSYS软件中.
图5 刃口角度为17°的凹盘应力云图
图6 刃口角度为18°的凹盘应力云图
图7 刃口角度为20°的凹盘应力云图
图8 刃口角度为15°的凹盘应力详解
2.2 划分单元网格
1)单元类型:破冰除雪凹盘有一定厚度，所以，采用实体单元Solid45.Solid45类型用于三维实体结构模型，该单元有塑性、应力强化、大变形和大应变能力.
图9 刃口角度为17°的凹盘应力详解
2)材料系数:破冰除雪凹盘材料采用优质碳素结构钢65Mn，该材料的密度是7850kg/m3，弹性模量是1.96 ×105 MPa，泊松比是 0.3.为了研究凹盘刃口的强度特性，分析在工作载荷下所受的应力，将模型简化，忽略了一些圆角.
3)划分网格:由于破冰除雪凹盘的结构简单并且形状不规则，采用自适应控制自由网格划分方法划分网格[4].完成划分的模型以15°刃口角为例(如图3所示).
2.3 施加载荷和约束并求解
通过查阅机械设计手册并根据材料属性进行基本的理论计算[5]，可知凹盘刃口的最大压力载荷为490Pa.在施加压力载荷选项下，拾取凹盘底部刃口处由划分网格自然形成的相邻8个节点，并输入压力载荷常量490Pa.
为了简化凹盘刃口的强度特性分析，减少其他次要约束对分析的干扰，只在凹盘轴孔处设置约束所有自由度.
运行Solution→Solve→Current LS，进行凹盘的静结构有限元分析.
3 分析结果
在ANSYS软件后处理器查看结果的选项中选择显示最大主应力云图，得到4种不同刃口角度的凹盘应力云图，如图4至图7所示.
通过ANSYS软件后处理器中显示结果选项的显示最大主应力云图，得出4种不同凹盘刃口角度所受的应力详解表格，如图8至图11所示.
根据图8至图11整理出4种不同凹盘刃口角度的应力最大值，如表1所示.
表1 破冰除雪凹盘应力最大值15° 17° 18° 20°应力最大值(Pa)刃口角度312.48 401.68 333.84 281.28
从表1中可以看出，相同受力条件下凹盘刃口角度为20°的破冰除雪凹盘所受的最大应力比较小，故选取20°作为凹盘的刃口角度.
图10 刃口角度为18°的凹盘应力详解
图11 刃口角度为20°的凹盘应力详解
4 结论
(1)建立了破冰除雪凹盘的阻力模型，分析了凹盘在工作过程中的受力状态，为凹盘进行有限元分析施加载荷提供了依据.
(2)通过创建破冰除雪凹盘有限元模型，分析应力云图和应力详解，得出凹盘所受的应力最大值并进行比较，择优选取了20°的刃口角度，为破冰除雪凹盘的设计提供了参考依据.
参考文献:
[1]邓洪超，马文星，荆宝德.道路冰雪清除技术及发展趋势[J].工程机械，
2005(12):41－44.
[2]Richard D，Embry，Indianapolis.Snow Removal
Divice[P].US20090249658A1，2009.10.
[3]佚名.农业机械设计手册[M].北京:中国农业科学技术出版社，2007:261－276.
[4]初旭宏，王俊发，邱聪雨.基于ANSYS的深耕挖掘犁刀强度分析[J].佳木斯大学
学报:自然科学版，2009，7(4):545－546.
[5]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2004.。