基于UG和ANSYS的流線翼形深松鏟建模與分析

藏宇

摘要：為滿足遼西地區保護性耕作的要求，設計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據。

關鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應力

中圖分類號：S220.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結構、建立土壤水庫、促進作物高產，是保護性耕作的關鍵技術之一。深松耕作需打破犁底層，作業深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內外學者主要通過合理優化深松部件結構、改變土壤物理機械性質來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結構特征和模態參數，為深松部件的設計提供參考。

1 深松鏟設計要求

深松鏟是深松機的主要工作部件，承受耕層土壤內復雜且隨機變化的載荷作用。深松阻力過大，易導致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設計應符合以下要求：1） 入土容易，作業時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應力集中；4） 結構簡單，使用維護方便。

2 深松鏟結構設計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機前進方向的水平面夾角，其確定依據是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機械特性，不同的土壤耕作應采用不同的γ角。實施保護性耕作的遼西地區土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側向位移。根據以上分析，翼張角設計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側向位移及牽引阻力。結合實際情況，γ設計為10°。入土角α的設計應滿足疏松土壤、且不翻轉土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設計為18°。

深松鏟的幅寬B根據入土條件、松土性能和強度要求確定。根據田間試驗結果和機具設計要求，幅寬設計為100 mm。為減小作業阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設計一定夾角δ。結合實際情況，翼夾角設計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業阻力，因此應結合深松鏟的具體結構，盡量減小鏟尖的寬度。b設計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數。根據我國傳統的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經調質處理，硬度達到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關系變為布爾和關系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導出IGES格式，再導入ANSYS進行靜力分析，分析步驟為：【導入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數和密度】→【劃分網格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結果】。根據深松鏟材料的屬性和深松作業實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板同鏟尖結合處應力集中，應該加強鏟柱強度，并加強鏟柱與機架的聯接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進設計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業阻力較大時，深松鏟承受較大的應力，容易發生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進行結構改進，重新設計深松鏟與機架相連接的部件，形成深松機單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進行網格劃分，根據深松作業的實際情況和土槽試驗結果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結果表明：深松鏟總成產生的最大應力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應變為9.6×10-4，發生在右翼的前端部。與改進前相比，最大應力和最大應變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強度和剛度得到了提高。

6 結論

根據保護性耕作深松技術要求設計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板與鏟尖結合處應力集中嚴重，應從材料選擇和尺寸方面加以改善。

摘要：為滿足遼西地區保護性耕作的要求，設計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據。

關鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應力

中圖分類號：S220.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結構、建立土壤水庫、促進作物高產，是保護性耕作的關鍵技術之一。深松耕作需打破犁底層，作業深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內外學者主要通過合理優化深松部件結構、改變土壤物理機械性質來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結構特征和模態參數，為深松部件的設計提供參考。

1 深松鏟設計要求

深松鏟是深松機的主要工作部件，承受耕層土壤內復雜且隨機變化的載荷作用。深松阻力過大，易導致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設計應符合以下要求：1） 入土容易，作業時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應力集中；4） 結構簡單，使用維護方便。

2 深松鏟結構設計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機前進方向的水平面夾角，其確定依據是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機械特性，不同的土壤耕作應采用不同的γ角。實施保護性耕作的遼西地區土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側向位移。根據以上分析，翼張角設計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側向位移及牽引阻力。結合實際情況，γ設計為10°。入土角α的設計應滿足疏松土壤、且不翻轉土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設計為18°。

深松鏟的幅寬B根據入土條件、松土性能和強度要求確定。根據田間試驗結果和機具設計要求，幅寬設計為100 mm。為減小作業阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設計一定夾角δ。結合實際情況，翼夾角設計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業阻力，因此應結合深松鏟的具體結構，盡量減小鏟尖的寬度。b設計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數。根據我國傳統的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經調質處理，硬度達到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關系變為布爾和關系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導出IGES格式，再導入ANSYS進行靜力分析，分析步驟為：【導入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數和密度】→【劃分網格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結果】。根據深松鏟材料的屬性和深松作業實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板同鏟尖結合處應力集中，應該加強鏟柱強度，并加強鏟柱與機架的聯接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進設計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業阻力較大時，深松鏟承受較大的應力，容易發生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進行結構改進，重新設計深松鏟與機架相連接的部件，形成深松機單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進行網格劃分，根據深松作業的實際情況和土槽試驗結果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結果表明：深松鏟總成產生的最大應力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應變為9.6×10-4，發生在右翼的前端部。與改進前相比，最大應力和最大應變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強度和剛度得到了提高。

6 結論

根據保護性耕作深松技術要求設計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板與鏟尖結合處應力集中嚴重，應從材料選擇和尺寸方面加以改善。

摘要：為滿足遼西地區保護性耕作的要求，設計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據。

關鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應力

中圖分類號：S220.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結構、建立土壤水庫、促進作物高產，是保護性耕作的關鍵技術之一。深松耕作需打破犁底層，作業深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內外學者主要通過合理優化深松部件結構、改變土壤物理機械性質來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結構特征和模態參數，為深松部件的設計提供參考。

1 深松鏟設計要求

深松鏟是深松機的主要工作部件，承受耕層土壤內復雜且隨機變化的載荷作用。深松阻力過大，易導致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設計應符合以下要求：1） 入土容易，作業時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應力集中；4） 結構簡單，使用維護方便。

2 深松鏟結構設計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機前進方向的水平面夾角，其確定依據是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機械特性，不同的土壤耕作應采用不同的γ角。實施保護性耕作的遼西地區土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側向位移。根據以上分析，翼張角設計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側向位移及牽引阻力。結合實際情況，γ設計為10°。入土角α的設計應滿足疏松土壤、且不翻轉土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設計為18°。

深松鏟的幅寬B根據入土條件、松土性能和強度要求確定。根據田間試驗結果和機具設計要求，幅寬設計為100 mm。為減小作業阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設計一定夾角δ。結合實際情況，翼夾角設計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業阻力，因此應結合深松鏟的具體結構，盡量減小鏟尖的寬度。b設計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數。根據我國傳統的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經調質處理，硬度達到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關系變為布爾和關系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導出IGES格式，再導入ANSYS進行靜力分析，分析步驟為：【導入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數和密度】→【劃分網格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結果】。根據深松鏟材料的屬性和深松作業實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板同鏟尖結合處應力集中，應該加強鏟柱強度，并加強鏟柱與機架的聯接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進設計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業阻力較大時，深松鏟承受較大的應力，容易發生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進行結構改進，重新設計深松鏟與機架相連接的部件，形成深松機單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進行網格劃分，根據深松作業的實際情況和土槽試驗結果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結果表明：深松鏟總成產生的最大應力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應變為9.6×10-4，發生在右翼的前端部。與改進前相比，最大應力和最大應變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強度和剛度得到了提高。

6 結論

根據保護性耕作深松技術要求設計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側、鏟尖立板同鏟柱結合處、鏟尖立板與鏟尖結合處應力集中嚴重，應從材料選擇和尺寸方面加以改善。