基于ANSYS微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真

　收稿日期:2007207209

作者简介:葛云(19742),女,讲师,从事机械设计制造及其自动化研究;e 2mail :gy 2mac @ 。

第25卷　第5期2007年10月

石河子大学学报(自然科学版)

Journal of Shihezi University (Natural Science )

Vol.25　No.5Oct.2007

文章编号:100727383(2007)0520627203

基于ANSYS 微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真

葛　云1,吴雪飞1,王　磊1,宋海堂2

(1石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子832003;2新疆国统管道股份有限公司新疆米泉831400)

摘要:旋耕弯刀是微型旋耕机的主要工作部件,为保证其在承受外载荷时不发生残余变形和过量的弹性变形,应提高旋耕弯刀强度计算的精确度。采用美国ANSY S 软件,给出了旋耕弯刀应力计算的有限元力学模型,计算出所选关键点的应力大小及旋耕弯刀的应力分布规律,得出了应力集中的位置,同时也提高了产品的设计可靠性,降低了产品的原材消耗。

关键词:应力仿真;ANSY S;有效应力;旋耕弯刀中图分类号:S222.3 文献标识码:A

ANSY S 软件是一个功能强大的结构设计分析和结构优化软件包,具有多物理场耦合的功能,允许

在同一模型上进行各种各样的耦合计算,可用于结构的静力分析、动力分析、结构的高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、弹性接触分析等。实体建模一般采用基于NURBS 的三维实体描述法、几何体素以及布尔运算。ANSY S 设计数据访问模块(DDA )能够使用户将由C AD 建立的模型转换并传送到ANSY S 软件中,避免了不必要的重复建模工作。

微型旋耕机作业时,旋转的弯刀对土壤进行切削、破碎及抛掷,由于在整个切削土壤过程中,耕深由小到大,切割的土壤面先是由小到大,然后又由大到小,旋耕弯刀的位置也在不断变化着,所以土壤阻力的大小、方向及作用点在整个切削土壤的过程中都在变化。因此,旋耕弯刀的设计应保证能承受工作过程中的外载荷,不发生残余变形和过量的弹性变形,并有一定的使用寿命。

传统的设计由于缺乏精确的强度计算方法,得出的安全系数较大,使旋耕弯刀变得较笨重,且由于材料强度具有一定的离散性,安全系数也不能真实反映其可取性,因此,传统设计方法具有很大的经验性和盲目性。本文利用有限元分析软件ANSY S ,先给出旋耕弯刀应力计算的有限元力学模型,然后根据程序计算出所选关键点的应力大小及旋耕弯刀的应力分布规律,得出了应力集中的位置,以期为旋耕弯刀的设计和失效分析提供可靠的理论依据。

1　旋耕弯刀的应力仿真

1.1　旋耕弯刀的受力分析[1～4]

旋耕机作业时,旋转的弯刀对土壤进行切削、破

碎及抛掷,土壤便反作用于弯刀上,从而形成了土壤阻力(图1)。通常旋耕刀所受的轴向力(垂直于平面)很小,可忽略。为了便于分析,将阻力沿两坐标轴分解成两分力,则有:

F = F X + F Z ,

F =

F 2

X +F 2

Z ,

又可将F 沿作用点Q 的法线、切线方向分解成两分力,即法向力F

n 和切向力F τ,则有:

图1　旋耕弯刀受力

F = F n + F τ,

F =F 2n +F 2

τ,

此时,切向力F τ对刀辊的旋转中心产生一阻力矩M ,其大小为:

M =F τ・

r ,(1)式(1)中,r 为力F 的作用点Q 至旋转中心的距离。

1.2　旋耕弯刀的应力仿真过程[2～7]

1.2.1　有限元分析方法

有限元分析的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式,然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组,加入边界条件后即可对方程组求解。1.2.2　旋耕弯刀三维实体模型的建立

旋耕弯刀形状较复杂,弯刀的侧切刃是向外弯曲的形状。这种形状除了能保持适度的滑切角以外,还能由远及近地切土,即开始时在离刀轴中心较近处先接触土壤,然后逐渐向前和向深处切入。

由于ANSY S 的三维建模能力较弱,但ANSY S 提

供了数据接口程序,使得在其他3D 软件中建立的

模型能很方便的导入ANSY S 中。因此,本文选择在建模功能强大的PRO/E 软件中进行三维建模,然后再通过PRO/E 和ANSY S 的数据接口,解决ANSY S 建模困难的问题。具体方法如下:

1)打开PRO/E 和ANSY S 的数据接口,从计算机“开始”菜单中选择“所有程序”>ANSY S 8.1>Utili 2ties >ANS 2ADMI N8.1>Relink ANSY S …。

2)打开PRO/E 软件,在PRO/E 界面的主菜单中打开ANSY S 8.1,进入ANSY S 8.1。

3)在ANSY S 8.1界面中打开File >Im port >Pro/E ,找到要导入的用Pro/E 绘制的图,然后从Pro/E

导入ANSY S 后的旋耕刀模型。如图2所示。1.2.3

　对旋耕弯刀进行网格划分

旋耕弯刀的单元划分采用ANSY S 软件自身具有的智能网格划分方法。该方法可以根据模型的几何关系,自动将网格划分的疏密得当。本文使用4节点四面体单元,利用实体模型线段长度进行最佳网格化,网格划分好的旋耕弯刀如图3所示。

图2　旋耕弯刀的实体模型 图3　旋耕弯刀实体模型的网格划分

1.2.4　旋耕弯刀约束及载荷的施加

对旋耕弯刀施加500N 的集中载荷。与刀座联

接的孔表面受到X 、Y 、Z 方向的约束。1.2.5　求解

1)选取菜单途径Main Menu >S olution >2Analysis T ype 2New Analysis …,选取Static 项,即求解过程为静力求解。

2)选取菜单途径Main Menu >S olution >S olve >Current LS 。

3)出现/ST AT US C ommands 对话框后,选取文件中的save as..保存为ST AT US.Lis ,在对话框S olve Current Load Step 中单击OK 按钮,求解过程开始。

4)当“S olution is done ”对话框出现,求解结束。

2　结果与分析[4,5]

1)选取主菜单G eneral P ostproc >Plot Results >C ontour Plot >nodals olu …,出现C ontour Nodal S olution Date 对话框。

2)在C ontour Nodal S olution Data 对话框中选取DOFs olution 可得应力分布等值线。如图4、图5所

示。

3)疲劳应力如图6所示。由图6可见,旋耕刀的最大位移发生在弯刀刚入土准备切削时的正切削刃和侧切削刃处,然后变形位移向两边等距递减。而应力集中在刀柄联结孔处,主要承受X 方向的应力。此结果说明,由于弯刀是单自由度刚体,离约束

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