梳齿受力数值模拟与分析

第五章梳齿受力数值模拟与分析

梳齿是梳齿式采棉机的核心部件，是梳齿式采棉机主要的研究内容，梳齿的好坏直接影响棉花的采摘效果，由于梳齿在采摘过程中受力复杂，配合影响因素较多，因此本文主要选取梳齿在单个棉杆节点处的受力为梳齿的受力状况，主要分析梳齿在节点处的受力变形问题。通过ANSYS分析，为梳齿式采棉机采摘部分的优化设计提供理论依据和实验指导。

5.1 基于ANSYS梳齿模型的建立

5.1.1 几何模型构建及网格划分

ANSYS软件可以用于简单模型的建立，它和其他的二维、三维软件有很好的接口，因此对于复杂的模型一般都是先用PRO/E、SolidWorks、UG等三维造型软件进行建模，对于简单的模型，可以运用CAD、CAXA等二维绘图软件进行建模，然后导入ANSYS进行分析，本文中涉及的梳齿受力的结构比较简单，可以直接用ANSYS软件本身提供的建模工具进行建模。

对于梳齿受力的模拟可以是二维模拟也可以是三维模拟，由于本研究对象结构简单，形状均匀，受力简单，因此可以做些简化。在建模时采用二维有限元模型并将出棉口按密闭处理，网状输送管道做静态分析，简化后的影响将在第六章分析验证。本研究主要关心的是梳齿装置受力变形的分布情况，试验证明这样的简化对梳齿影响不大。

在模型生成后，要对梳齿受力区域内进行离散，即有限元网格的生成，网格划分可分为结构化网格和非结构化网格两种。采用结构化网格易于生成物面附近的边界层网格，且有较多算法和成熟的受力分析模型，但需要较长的物面离散时间，对复杂的外形必须构造不同的网络拓扑结构，无法实现网格的自动生成，费时费力。非结构化网格消除了结构化网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，能够很好的处理边界问题，适宜于模拟复杂外形[23]，近年来发展迅速，应用较为广泛。在进行网格划分时要考虑到分离室内的流动特性，进而对网格做适当的调整。

本文对梳齿式采棉机采摘部件的分析面采用非结构化网格划分，并适当对一些边界面进行加密，尽可能保持计算区域和实际流动区域的一致性，通过加密可以捕捉到在某些截面产生的巨大的受力梯度对梳齿造成的显著影响，以保证模拟计算的精度。建立梳齿的几何模型，整个梳齿的计算区域被划分单元格，生成的模型网格。

5.1.2 主要边界条件

本研究中，主要考虑梳齿在受不同种力对梳齿变形的影响，因此，设计不同

种力作用形式，其中有梳齿面上的均布力，渐变力，梳齿某点受到的载荷力。由初步试验经验对梳齿作用力为100N，梳齿间间距为20mm。

表5-1 主要边界条件试验测量数据

方案梳齿间距（mm）载荷100N形式

1 20 均布载荷

2 20 渐变载荷

3 20 点载荷

5.1.3 ANSYS软件分析设置

一、计算内容

图5-1 梳齿受力模型

如上图所示，梳齿一端固定，另一段受到平行于梳齿截面的集中力F的作用，F=100[N]。梳齿所用的材料：弹性模量E=2.0 105[MPa]，泊松比0.3。

二、计算步骤

1.建立有限元模型。

创建工作文件夹并添加标题；在个人的工作目录下创建一个文件夹，命名为qidandna，用于保存分析过程中生成的各种文件。启动ANSYS后，使用菜单“File”——“Change Directory…”将工作目录指向qidandan文件夹；使用/FILNAME,qidandan命令将文件名改为qidandan，这样分析过程中生成的文件均以qidandan为前缀。设定结构分析，操作如下：

GUI: Main Menu > Preferences > Structural

2.选择单元；

进入单元类型库，操作如下：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add…

对话框左侧选择Beam选项，在右侧列表中选择2D elastic 3选项，然后单击OK按钮。本步骤也可以用以下命令行形式代替：

/PREP7 ! 进入前处理器

/ET,1,BEAM3 ! 定义BEAM3单元

3.定义实常数；

根据单元类型定义实常数，操作如下：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add…

本例中主要定义梁的截面性质，在IZZ对应的文本框中数据截面惯性矩10000/12。（注：截面惯性矩公式为Iz=BH3/12其中B为矩形截面的宽，H为高。）

4.定义材料属性；

定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear > Elastic > Isotropic

在弹出的对话框中输入材料参数：杨氏模量(EX): 2.0e5

泊松比(PRXY): 0.3

该步骤也可以使用以下命令实现：MP,EX,1,2.0E5

MP,PRXY,1,0.3

5.创建实体模型；

合理规划模型的坐标可以减少一定的工作量，在本例中，将坐标原点取在梳齿的固定端，将梳齿的方向置放为x方向。

6.创建点：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS

在NPT对应的文本框中输入点的编号为1，在X,Y,Z对应的文本框中分别输入点的坐标0,0,0；同样方式输入编号为2的点，坐标为0,10,0；编号为3的点67,-30,0；编号为4的点，坐标为430,-30,0；编号为5的点，坐标为430,-15,0；编号为6的点，坐标为150,-15,0；编号为7的点，坐标为150,0,0；编号为8的点，坐标为750,0,0；编号为9的点，坐标为750,20,0；编号为10的点，坐标为-40,20,0；编号为11的点，坐标为-246,185,0；编号为12的点，坐标为-40,0,0。

以上步骤可以用命令实现：

K,1,0,0,0

K,2,0,10,0

K,3,67,-30,0

K,4,430,-30,0

K,5,430,-15,0

K,6,150,-15,0

K,7,150,0,0

K,8,750,0,0

K,9,750,20,0

K,10,-40,20,0

K,11, -246,185,0

K,12,-40,0,0

连接线：将上面的十四个点连接成面，操作如下：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary >Through Kps依次拾取上面的十四个点，即形成梳齿面。

7.划分网格；

首先进入Mesh Tools对话框，操作如下：

GUI: Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool

在Mesh标签对应的下拉菜单中选择Areas，点击Mesh按钮，拾取面。点击OK。