基于NX的旋耕刀三维建模及结构优化

doi：10.16576/ki.1007-4414.2021.01.002
基于NX的旋耕刀三维建模及结构优化
莫兰清，曾德惠，彭翰林，杨伟，蒲昌华，沈则睿
(湖北民族大学新材料与机电工程学院，湖北恩施445000)
摘要:为了提高旋耕机的切削效率和使用性能，以R245弯形旋耕刀为主要研究对象，介绍了旋耕刀的结构和工作原理，阐述了建模、有限元分析及优化的方法步骤。

首先运用NX软件基于表达式对刀片进行三维建模，然后通过NX NASTRAN模块建立有限元模型并求解，最后进行了应力仿真和尺寸优化。

结果表明：最大应力和变形位于旋耕刀与刀锟连接孔附近处；相同载荷作用下，优化旋耕刀主要参数尺寸，能够有效地减轻质量及降低应力和变形大小，为旋耕刀设计提供了有效的参考o
关键词：旋耕刀；三维建模；有限元分析；结构优化
中图分类号：TH112.2；S222.3文献标志码：A文章编号：1007-4414(2021)01-0004-04 3D Modeling and Structural Optimization of Rotary Blade Based on NX MO Lan-qing，ZENG De-hui,PENG Han-lin，YANG Wei,PU Chang-hua，SHEN Ze-rui
(School of A dvanced Materials and Mechanical Engineering，Hubei Minzu University，Enshi Hubei445000，China) Abstract:In order to improve the cutting efficiency and performance of the rotary tiller，taking the curved rotary blade R245 as the main research object，the structure and working principle are introduced，and the methods of modeling，finite element analysis and optimization are described in this paper.Firstly，the3D model of the blade is conducted based on expression by using the NX software.Then the finite element model is established and solved by the module NX NASTRAN so as to carry out the stress simulation and size optimization.The results show that the maximum stress and deformation are located near the con­necting hole of the rotary blade and the roller；the weight and deformation and stress under the action of same load can be re­duced effectively by optimizing the main parameters of the rotary blade，which provides an effective reference for its design.
Key words:rotary blade；3D modeling；finite element analysis；structural optimization
0引言
我国农业种植面积广，大部分西南地区是丘陵山区地貌，旋耕机是该地区农业耕作的主要机型
旋耕机通过动力驱动旋耕刀来实现旋耕作业,其质量的优良决定了旋耕作业的工作效率和旋耕机的工作寿命,针对旋耕刀的改良优化一直是设计者研究的重要课题。

旋耕刀的传统设计采用安全系数法,强度比较保守，刀片质量也较大。

利用CAD/CAE工具进行数字化设计,通过有限元分析,实现结构尺寸的优化，可以减轻刀具重量、提高切削效率和延长刀具使用寿命。

通过NX10.0软件对旋耕刀进行三维建模，利用NX NASTRAN进行有限元分析，对主要参数进行几何优化，为设计新型旋耕刀提供一种有效可靠的方法。

1旋耕刀的结构和工作原理
旋耕机结构简图如图1所示，旋耕刀位于旋耕部件上，旋耕部件包括刀锟（包括刀轴、刀座或刀盘）和旋耕刀［2］o旋耕刀辊由若干旋耕刀均布地安装在旋耕刀轴上组成，旋耕刀固定在刀座或刀盘上。

旋耕刀主要由侧切面（包括侧切刃）、过渡面（包括过渡刃）、正切面（包括正切刃）组成，如图2所示。

旋耕刀轴与水平方向平行，垂直于旋耕机行走方向。

微耕作业时,发动机输出动力经侧减速器减速后传递至刀轴，驱动旋耕刀随刀轴转动。

旋耕刀的侧切刃首先接触土壤，随着耕深的不断加大,过渡面刃口和正切刃依次切割土壤［3］o
旋耕刀结构尺寸已经标准化，由文献［4］可知,按其固定型式分为刀座式和刀盘式。

刀座式根据使用要求可分为I型、n型和皿型，刀柄宽度可分为t 型（宽刀）和s型（窄刀）。

我国现有旋耕机较多使用刀座式，所配旋耕刀刀尖回转半径多为245mm,耕作深度一般在16~18cm［5］。

刀座式旋耕刀的刀身与刀
*收稿日期：2020-09-11
基金项目：湖北省省级教研项目：机械类应用型人才数字化设计能力培养的研究（编号：2017390）；
湖北民族大学大学生创新训练项目：小型耕作松土机改进设计（编号：X201910517126）；
教育部产学合作协同育人项目：《机械设计》课程虚拟现实（VR）教学系统开发与建设（编号：201802087008）「作者简介:莫兰清（1999-）,女，广西贵港人，主要从事机械设计及制造方面的研究工作二
通讯作者：曾德惠（1970-）,女，湖北利川人，副教授，硕士，主要从事机械设计及制造教学方面的科研工作「
・4・
柄参数如图2、图3所示。

为符合大多数农作物耕深,文中以I T245旋耕刀为研究对象,参照国标规定得出表1所列的刀柄和刀身具体尺寸数值，在此基础上进行三维建模、有限元分析及尺寸优化。

235
CD
6
8
图1旋耕机结构简图
1.机架
2.发动机
3.离合器
4.侧减速器
5.手把组合
6.限深装置
7.中央减速器&旋耕部件
图2旋耕刀刀身参数
图3旋耕刀刀柄参数
表1I T245旋耕刀主要尺寸及数值
参数数值
刀柄宽度A/mm30
刀柄厚度B/mm10
安装孔到刀柄孔中心距离E/mm70
安装孔到刀柄顶部距离F/mm30
安装孔径D/mm12.5
刀车昆回转半径R/mm245
正切面端面刀咼h/mm45
正切面弯折角0/(。

)120
侧切刃起始半径R()/mm135
侧切刃终点半径Rj/mm228
侧切刃任意半径R n/mm
正切面项部宽度a/mm202旋耕刀的三维实体建模
三维建模是有限元分析和优化设计的基础。

NX 软件是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统软件，在农业机械的设计开发中有着广泛应用。

按照国标规定，旋耕刀侧切刃为阿基米德螺线。

阿基米德螺线计算简单，制造方便，用NX软件，可以精确绘制该曲线。

建模时首先按照该曲线绘制侧切刃，根据图3和表1中旋耕刀的几何尺寸得到旋耕刀草图；然后通过一系列操作如拉伸、折弯及布尔运算等命令,得到旋耕刀的三维实体模型,具体方法步骤如下。

2.1绘制旋耕刀草图
2.1.1绘制旋耕刀侧切刃曲线
在NX中，将阿基米德螺线的参数方程转换为符合NX的格式，写入为表达式，通过“规律曲线”命令得到阿基米德螺线⑹，即为侧切刃曲线。

(1)创建阿基米德螺线的NX表达式
阿基米德螺线的极坐标方程为：
r二a*0
式中:a为阿基米德螺线系数,mm/(。

)；0为极角，表示阿基米德螺线转过的总度数,范围为0~360。

假设a=1,模仿编程语言,0用卩代替，创建NX 表达式，保存为文本文件。

表达式如下：
a=1//阿基米德螺线极径
t=1//NX自带系统变量，取值为0~1之间的连续数
卩1=0,必=360//表示初始、终止角度的常数变量p=(1-t)*p1+t*p2//p变化范围为0~360°
%t=a*p*cos(p)
y t=a*p*sin(p)
z t=0//阿基米德螺线在％、y、z方向的参数方程
打开NX软件，新建一模型文件，进入草图环境。

在工具菜单下点击“表达式”，在弹出的对话框中输入上述表达式，输入一个按回车键一次。

全部输入后，单击“应用”键退出。

如图4所示。

(2)绘制阿基米德螺线
打开“插入-曲线-规律曲线”。

在弹出的对话框中定义%规律，选择“根据方程”，确定变量t,确定函数%4。

y、z规律亦是如此操作,单击“确定”完成侧切刃曲线绘制，如图5所示
列出的表达式
|錘的
名称幻：▼值单位类型
e MU...
yt a*p s in(p)-1.6“mm数量y
xt a*p c os(p)360mm数量✓
p2360360度数量v
t11
a11mm JKS p
p100度数量l
p(1-t)
*p1+t*p2360S数量l
<>
图4表达式生成图5阿基米德螺线绘制
-5
-
2.1.2完成旋耕刀草图
截取一段绘制好的阿基米德螺线得到侧切刃曲
线，再根据图2、3和表1的尺寸绘制其他线段，通过 相切、交点、同心等几何约束与尺寸约束，得到旋耕刀
草图，如图6所示。

2.2生成旋耕刀实体模型
绘制好旋耕刀草图后，利用特征及钣金命令生成
实体模型。

2.2.1特征造型
退出草图后，在“插入”菜单中点击“拉伸”命令, 选择草图，输入拉伸厚度为10 m 叫可得到实体模型
如图7所示。

图6旋耕刀草图
图7旋耕刀模型
2.2.2钣金造型
在钣金界面中,点击“转换为钣金”命令,选择一 个刀身面，点击“确定”。

再点击“折弯”命令，在弹出
的对话框中点击“绘制草图”绘制折弯线，折弯角度
对应表1中0的补角即为60°。

设置“内嵌”选项为
材料内侧，在“折弯参数”中设置折弯半径30 m 叫其 他参数默认不变，即为旋耕刀实体模型。

保存文件命
名为“xuangengdao.prt ”。

如图 8、9 所示。

图8折弯设置
图9完整旋耕刀模型
3旋耕刀有限元分析
NX NASTRAN 内嵌在NX 软件中，是仿真模块的
一个求解器，建模后可以直接使用。

它可以有效地解
决结构的强度、刚度、结构优化等问题。

文中有限元
分析的目的是通过结构静力学分析旋耕刀工作时的
应力和变形，确定危险部位及大小。

3.1问题描述
以旋耕刀I T245为研究对象，对其进行静力学
结构分析。

微耕机功率P = 5kW,旋耕作业时刀轴转
速n - 280 r/min ,旋耕刀材料为65 Mn 钢,回转半径R
= 245 mm,考虑刀尖入土时的冲击影响，载荷系数取
为1.5。

材料设置参数如表2所列。

表2旋耕刀材料基本参数
材料
许用应力/MPa
密度 /(kg • m -3 )
弹性模量/ G Pa
泊松比
屈服强度/MPa
65Mn
3407 850
2100.3800
3.2旋耕刀受力分析及工作载荷的确定
由图1可知，一个旋耕部件是多个旋耕刀的集
合,在刀轴同一回转平面内的刀片数量通常为2片。

有限元分析时要对旋耕刀设置约束和施加载荷，所以
要对其进行受力分析。

在旋耕刀工作过程中，刀片随刀轴转动从上往下 切削土壤，最先接触的部位是刀尖，随着刀片不断旋
转,土壤不断进入到正切部分和侧切部分进行切割、
挤压及抛掷土壤。

在此过程中，刀片随着刀轴的不断
转动产生不断变化的作用力。

为便于研究，文中对力
作等效处理，即分别在侧切刃、过渡面刃口以及正切
刃处施加垂直于刃口方向的力［3］。

在旋耕刀对土壤切割的同时，土壤对刀片也会有
一个反向作用力来推动机组前进，即可认为旋耕刀片
承受发动机的全部动力。

考虑到旋耕机刀轴沿机身
中线左右对称，同时有两把旋耕刀受载，因此旋耕刀
受力与发动机功率的关系为［7］:
P = 2Fv/1 000 = 2F m R/ 1 000
（1）
式中:P 为发动机功率（kW ） ；F 为作用在旋耕刀刀尖
的载荷;。

为旋耕刀刀尖回转速度;
少
为旋耕刀回转
角速度;n 为旋耕刀转速（r/min ） ；R 为旋耕刀回转半
径。

将已知数据带入式（1）得到旋耕刀刀尖载荷F =
348 N,计算工作载荷 F =1.5x348 = 522 N 。

3.3有限元分析操作步骤
打开旋耕刀模型“ xuangengdao.prt ”，点击“启动”
-“高级仿真”进入仿真界面，按以下步骤操作。

3.3.1创建有限元模型
在仿真界面中的“仿真导航器”点击“新建FEM 和仿真”选项，在弹出的对话框中勾选“创建理想化 部件”,点击“确定”创建预算方案,再点击“确定”。

点击“管理材料”，出现对话框后，点击旋耕刀模
型和选择“创建材料”，按表2的基本参数新建旋耕
刀的材料， 命名为“ 65 Mn ” 。

再选择材料为 65 Mn ， 进
行“物理属性”定义。

定义材料后，点击“网格-3D 四面体网格”对整
体模型进行网格的划分,网格参数中单元大小设置为
3 mm,其他参数为系统默认，得到旋耕刀网格划分, 一共为36 728个网格。

如图10所示。

・6
・
3.3.2创建仿真模型
在“仿真文件视图”中右击所仿真的文件选择“设为显示部件”命令，进入sim仿真环境。

定义约束和载荷:①施加边界约束。

因旋耕刀通过安装孔固定在刀锟上，所以在旋耕刀与刀锟连接处施加固定约束;②施加载荷。

在侧切刃、过渡面刃口和正切刃处施加均布载荷，合力大小为522N。

载荷、约束的施
3.3.3求解及后处理
对旋耕刀设置了载荷和约束后,默认求解器中的算法,单击“求解”，点击“确定”，等待完成分析结果,即可得到具体求解的数据。

关闭各个信息窗口后，双击“仿真导航器”的“结果”即可进入后处理分析环境，得到位移和应力分析结果如图12、图13所示。

图12位移云图图13应力云图
3.3.3结果分析
由位移云图看出：位移最大处发生在离固定约束最远处，即旋耕刀的正切部，大小为0.240mm,可见正切部位刚度最差，产生的变形最大,设计时可以针对正切部的尺寸来减少变形量。

由应力云图看出：应力最大处发生在固定约束部位,即旋耕刀与刀锟连接孔附近，此部位有应力集中，最大应力值为96.09MPa，小于许用应力340MPa,与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致。

此结果验证了仿真分析的可靠性。

4旋耕刀结构优化
4.1确定优化思路
旋耕刀的受力取决于旋耕刀几何形状、刀齿排列规律、所切削物料的特性等因素。

旋耕刀的约束受机组前进速度、作业深度、旋耕刀辊旋转速度和旋转方式影响。

为保持刀具结构改变较少，达到减小最大变形量和最大应力的目的，文中通过NX中的几何优化命令来进行几何参数优化。

优化模型三个要素为:优化目标为旋耕刀体积质量最轻即体积最小;优化约束为应力不超过许用应力；优化参数为折弯角0补角和在正切面端面刀咼h。

4.2优化过程
旋耕刀有限元分析完成以后，点击“插入-几何优化”,依次在弹出界面点击“确定”后,直到出现“几何优化”界面，按照前面的优化模型定义优化目标、约束条件和优化变量，可得到优化结果曲线图如图14所示，并输出相应的电子表格。

图14优化结果曲线图
4.3优化结果分析
从图14结合优化电子表格数据可以得出，最大位移变形量在小范围波动变化,而最大应力是逐渐减少,最佳的优化结果为最小位移量0.238,最大应力值92.39。

考虑实际加工的要求，圆整得优化参数0补角=55°,h=40mm,应力仿真后体积减小4.3%,应力减小3.9%,比较结果如表3所列。

表3优化前后的参数比较
参数优化前优化后修正后正切面弯折角0补角/（°）6054.455
正切面端面刀咼h/mm4540.540
体积/m m398636.1294824.8394406.11旋耕刀位移/m m0.2400.2380.240
旋耕刀应力/MPa96.0992.3992.34
5结语
分析了旋耕刀的结构和工作原理，利用NX表达式和特征工具建立了旋耕刀的三维实体模型，并在NX NASTRAN中进行了有限元分析，得出位移和应力最大部位均发生在旋耕刀与刀锟连接孔附近，与实际情况相符。

最后选取几何参数折弯角0和正切面端面刀高h进行了结构优化,得出了最优设计方案,优化后有效地减轻了旋耕刀的体积和质量，提高了强度,为类似的零件设计提供了借鉴和参考。

（下转第10页）
-7
-
最高硬度值越大,焊接接头硬度质量评分越低；最高硬度值越小，焊接接头硬度质量评分越高。

9组焊缝硬度试验数据如图2所示，焊接接头硬度质量评分结果如表5所列。

述结果中焊缝3的热影响区最大硬度值低是由于热输入过小，造成未焊透所致。

表6焊缝硬度试验结果的极差分析
260
240
220
200 I180
160
140
120
1
2
3
4
5
6
7
8
9
缝
缝
缝
缝
缝
缝
缝
缝
缝
焊
焊
焊
焊
焊
焊
焊
焊
焊
X
亠
壬
壬
-6 -4 -20246
测试位置
图2不同焊接工艺焊缝硬度值
极差参数
脉冲频率峰值电流基值电流占空比
/Hz/A/A/%
21111411
10131421
14211713
7 3.7 4.7 3.7
3.3
4.3 4.77
4.77
5.7 4.3
极差R j1110310
因素主次/＞人＞忙人
最优方案/=40Hz/p=110A屮=20%/b=20A
表5焊缝硬度评分表
焊缝序号123456789
质量评分489127635
再根据焊接接头硬度质量的得分情况,计算出K 值及K值的平均值k,通过K值及k值计算出硬度极差R值，完成硬度测试的极差分析,如表6所列。

根据表6中焊缝硬度的极差分析得到的R值脉冲频率为11、脉冲电流为10、维弧电流为3、占空比为10。

该结果说明脉冲频率对焊锋硬度的影响最大，脉冲电流次之，占空比第三，而维弧电流基本不影响焊缝硬度。

这是由于脉冲频率需要与焊接电流相匹配才能得到合理的热输入。

脉冲频率越小，导致单位长度焊缝受热时间越长，容易引起热影响区晶粒长大，淬硬倾向增加,热影响区最大硬度值上升。

但上3结语
通过调整脉冲MIG焊的参数，进行Q235低合金钢板的平板对接焊接工艺试验,并对试验焊缝进行表面宏观形貌观测及硬度测试。

由测试结果可知，在焊 接工艺参数中(脉冲电流、维弧电流、脉冲频率和占空比)，脉冲电流对焊缝成形质量的影响最为显著,而脉冲频率对焊接接头硬度变化的影响最为明显。

本实验得到脉冲MIG焊各参数对焊接接头的成形及硬度影响的权重顺序，为后期建立脉冲MIG焊对接接接头参数匹配的专家数据库提供参数依据。

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(上接第7页)
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