殘膜回收機挑膜彈齒的有限元分析

木塔力甫·艾力　張佳

摘要：目前，以分析、優化設計和仿真為目的的虛擬樣機技術VPT在不同領域廣泛應用。分析殘膜回收關鍵零部件的有限元，采用建模的方法計算彈齒的應力、位移及應變，校核挑膜彈齒的強度，確定彈齒能夠滿足工作需求。

關鍵詞：挑膜彈齒；有限元分析；VPT；強度校核

中圖分類號：S220.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）07-0039-03

目前，以分析、優化設計和仿真為目的的虛擬樣機技術VPT（virtual prototyping technology）在不同領域廣泛應用。在農業機械領域中，通過虛擬樣機技術對機器進行三維建模，可以不斷的進行結構修改和方案調整，使機器達到結構和機械性能最優，無需象傳統設計一樣多次制造不同方案樣機，降低機器的開發成本以及縮短機器的開發時間。

1 挑膜彈齒有限元分析

1.1 導入挑膜機構三維模型

打開SolidWorks軟件，單擊Simulation圖標，新建算例，導入的挑膜機構裝配體模型如圖1所示。挑膜彈齒為均勻安裝在挑膜滾筒上，每個彈齒所受載荷近似相等，在此只對其中一個彈齒進行有限元分析。

1.2 定義挑膜彈齒的材料屬性

在使用Simulation對挑膜彈齒進行有限元分析時，定義材料屬性有很多種方式。常用零件的材料可以直接在SolidWorks軟件材料庫中選取，SolidWorks軟件自帶材料庫中沒有的材料，可以使用Centor庫中的材料，還可以通過自定義添加新的材料屬性。如圖2所示，挑膜彈齒的材料選用55SiMnVB，它是一種彈性好、疲勞強度很高的材料，其力學性能參數如下：彈性模量E=196 GPa；泊松比μ=0.3；密度為ρ=

7 860 kg/m3；σb=735 MPa；τ=440 MPa。

1.3 定義分析方法

在Simulation有限元分析類型下提供的分析方法有靜態、優化、頻率、非線性、扭曲、疲勞等。挑膜機構有限元分析方法選用“靜態”。

對挑膜彈齒施加載荷和約束。在定義彈齒邊界條件時，為了讓彈齒的底端不發生位移變化，將挑膜彈齒的底端固定，挑膜彈齒相當于懸臂梁結構，限制彈齒底端部沿基本坐標系的移動約束TX=TY=TZ=0，繞基本坐標系的轉動約束RX=RY=RZ=0；已知彈齒的入土深度為5 cm，將載荷施加到挑膜彈齒齒尖5 cm范圍內。挑膜彈齒入土時受到垂直向下的阻力Fy，水平方向受到土壤阻力F土和摩擦力F1，則土壤阻力的計算公式為： F土=Kw×A。式中：Kw為彈齒受到的載荷系數，與作業機前進速度、彈齒結構參數和土壤性質等有關，一般為4.9～9.8 N/cm2，在計算載荷時通常選取最大值9.8 N/cm2；A為所受載荷的作用面積，cm2。

經計算可得：F土=29.4 N；Fy=150～500 N，這里取300 N；F1=f×Fy=tan15×300=80.4（N）。

f為土壤與合金鋼的摩擦系數，一般為tan15～tan40，故挑膜彈齒受到水平方向的牽引阻力為：Fx=

F土+F1=29.4+80.4=109.8（N）。所以挑膜彈齒受到的合作用力為F合==319.4（N）。加載到彈齒齒尖的載荷選取400 N，均勻加載到彈齒齒尖5 cm范圍內。

1.4 對挑膜彈齒進行網格劃分

使用Simulation軟件進行有限元分析時，系統自動為模型進行網格劃分。如果對計算結果的精度有較高要求或者需要網格劃分一些特殊曲面模型，可以手動定義網格劃分；如果要求計算精度很高，就需要將零部件網格劃分的較細，但計算速度隨之降低。在對挑膜彈齒的有限元分析中，網格劃分精度為2 mm，誤差范圍為5%，即0.1 mm。設置網格屬性為“網格品質高”，采用“光滑表面”的網格控制，解算器采用“FFEplus”，并使用：“慣性卸除”。網格屬性設置后，在Simulation資源管理器下單擊網格生成，開始對模型進行網格劃分。

1.5 運行分析

從Simulation資源管理器下選擇運行，顯示運算進度，模型的節點數、自由度數目，運算所用時間等信息。在靜態運行完成后，Simulation會在資源管理器下生成應力（Stress）、位移（Displacement）、應變（Stain）、變形（Deformation）、設計檢查（Design check）等結果模板，通過這些結果模板可查看分析結果。

2 有限元結果分析

2.1 應力結果分析

在Simulation資源管理器下，點擊應力（Stress）模板邊上的加號，可看到挑膜彈齒的應力圖（如圖3所示）。最大應力發生在彈齒底端，為6.424e+008 N/m2。

應力結果還可以以列表形式輸出，從列表中顯示，最大應力發生在彈齒齒尖處，數值為6.424e+008 N/m2；而最小應力數值為1.096e+005 N/m2。為了讓設計者更好的理解應力作用下的模型變形情況，使用了1倍的變形比例。本設計的屈服應力為1.225+e009 N/m2。

2.2 位移結果分析

挑膜彈齒的位移分析如圖4所示。與應力圖中相似，圖例中從藍色到紅色位移逐漸增加，也使用了與應力同樣的變形比例。從圖4中可看出，模型最大位移在挑膜彈齒的齒尖上，位移值為1.843e+001 mm；最小位移值則在彈齒末端，數值為1.000e-030 mm。

2.3 應變和變形結果分析

如圖5所示，如果使用節數值來觀察對等應變時，應變云圖與應力云圖相似，只是在右邊的圖例數值上有所不同。變形結果分析圖與位移結果分析圖相比，沒有用色彩來表示圖例，僅有放大比例后的模型的變形圖。

2.4 設計檢查結果分析

在對挑膜彈齒進行有限元分析后，根據所選的失效標準對挑膜彈齒進行安全校核。在圖6中，最大安全系數在挑膜彈齒的齒尖上，數值為1.117e+004，最小安全系數在彈齒末端處，數值為1.91。最小安全系數為3，使用的校核準則為第四強度理論。

進行強度校核時，準則下可選的校核標準有最大正應力（第一強度理論）、Mohr-coulomb應力（莫爾強度理論）、最大抗剪應力Tresca（第三強度理論）和最大von Mises應力（第四強度理論）。選用最大von Mises應力（第四強度理論）準則進行校核，應力單位N/m2，安全系數為3。

彈齒使用的校核準則是第四強度理論。第四強度理論標準是基于最大形狀改變比能的理論，認為無論怎樣的應力狀態，只要形狀改變比能達到與零件材料性質相關的極限值，零件就會發生屈服。根據主應力σ1，σ2，σ3，屈服準則表達式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強度理論的強度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應力。

在許多情況下，屈服應力被用作應力極限σlimit，則安全系數FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結論

通過對殘膜回收機挑膜彈齒進行有限元分析，能夠計算機器關鍵零部件在工作中受到的最大應力、最大位移以及最大應變值，具有節省材料、減少機具制造成本、大大縮減機器開發時間的作用。基于計算機虛擬樣機技術的應用和研究，是現代機械設計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質量設計與開發的保證。

參考文獻

[1] 趙海軍.殘膜撿拾滾筒的運動學和動力學研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2005.

[2] 魯亞云.氣吹式秋后殘膜回收機設計及分析研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2005.

[3] 王茂成，邵敏.有限元法基本原理和數值方法[M].北京：清華大學出版社，1997.

[4] 張德云，李亞雄.4FS-2型殘膜聯合回收機的改進設計[J].農牧與食品機械，1994 （4）：23-25.

[5] 張木林，王緯.1MS-800塑料殘膜回收機[J].農牧與食品機械，1992，60 （2）：7-11.

在對挑膜彈齒進行有限元分析后，根據所選的失效標準對挑膜彈齒進行安全校核。在圖6中，最大安全系數在挑膜彈齒的齒尖上，數值為1.117e+004，最小安全系數在彈齒末端處，數值為1.91。最小安全系數為3，使用的校核準則為第四強度理論。

進行強度校核時，準則下可選的校核標準有最大正應力（第一強度理論）、Mohr-coulomb應力（莫爾強度理論）、最大抗剪應力Tresca（第三強度理論）和最大von Mises應力（第四強度理論）。選用最大von Mises應力（第四強度理論）準則進行校核，應力單位N/m2，安全系數為3。

彈齒使用的校核準則是第四強度理論。第四強度理論標準是基于最大形狀改變比能的理論，認為無論怎樣的應力狀態，只要形狀改變比能達到與零件材料性質相關的極限值，零件就會發生屈服。根據主應力σ1，σ2，σ3，屈服準則表達式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強度理論的強度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應力。

在許多情況下，屈服應力被用作應力極限σlimit，則安全系數FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結論

通過對殘膜回收機挑膜彈齒進行有限元分析，能夠計算機器關鍵零部件在工作中受到的最大應力、最大位移以及最大應變值，具有節省材料、減少機具制造成本、大大縮減機器開發時間的作用。基于計算機虛擬樣機技術的應用和研究，是現代機械設計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質量設計與開發的保證。

參考文獻

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[5] 張木林，王緯.1MS-800塑料殘膜回收機[J].農牧與食品機械，1992，60 （2）：7-11.

在對挑膜彈齒進行有限元分析后，根據所選的失效標準對挑膜彈齒進行安全校核。在圖6中，最大安全系數在挑膜彈齒的齒尖上，數值為1.117e+004，最小安全系數在彈齒末端處，數值為1.91。最小安全系數為3，使用的校核準則為第四強度理論。

進行強度校核時，準則下可選的校核標準有最大正應力（第一強度理論）、Mohr-coulomb應力（莫爾強度理論）、最大抗剪應力Tresca（第三強度理論）和最大von Mises應力（第四強度理論）。選用最大von Mises應力（第四強度理論）準則進行校核，應力單位N/m2，安全系數為3。

彈齒使用的校核準則是第四強度理論。第四強度理論標準是基于最大形狀改變比能的理論，認為無論怎樣的應力狀態，只要形狀改變比能達到與零件材料性質相關的極限值，零件就會發生屈服。根據主應力σ1，σ2，σ3，屈服準則表達式如下：

σVon Mises= （1）

則第四強度理論的強度條件為：≤[σ]，其中[σ]為零件材料的許用應力。

在許多情況下，屈服應力被用作應力極限σlimit，則安全系數FOS=σlimit/σVonMises，故安全系數FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以滿足要求。

3 結論

通過對殘膜回收機挑膜彈齒進行有限元分析，能夠計算機器關鍵零部件在工作中受到的最大應力、最大位移以及最大應變值，具有節省材料、減少機具制造成本、大大縮減機器開發時間的作用。基于計算機虛擬樣機技術的應用和研究，是現代機械設計中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高質量設計與開發的保證。

參考文獻

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[5] 張木林，王緯.1MS-800塑料殘膜回收機[J].農牧與食品機械，1992，60 （2）：7-11.