深松鏟柄的有限元分析與優化

盧祺安軍鋒王安郝建軍

1、河北農業大學機電工程學院2、河北省農業信息中心

深松鏟柄的有限元分析與優化

盧祺1安軍鋒2王安1郝建軍1

1、河北農業大學機電工程學院2、河北省農業信息中心

深松鏟作為深松機具的主要部件，其品質直接影響深松效果乃至整機的作業性能。應用三維參數化建模軟件INVENTOR對市售主流深松鏟柄進行了三維實體造型，采用有限元分析軟件ANSYS對其變形和應力進行了分析，結果表明，其強度、剛度能夠達到設計要求，但鏟柄下端存在細微變形，且鏟柄與鏟尖連接處存在應力集中情況。針對上述分析結果，對鏟柄進行了優化設計。

深松鏟柄；INVENTOR；ANASYSWORKBENCH；有限元分析；優化設計

我國許多地區連續多年用旋耕機進行淺翻、旋耕作業，致使耕作層與心土層之間形成了一層堅硬、封閉的犁底層[1]，又稱“亞表土層”。對于耕作土壤來說，具有不太厚的犁底層對保持水分養分是很有益的，但當犁底層過厚（20cm）[2，3]、堅實，會影響作物根系下伸及土壤通氣透水。解決方法之一即深松作業。深松作業時土壤被深松鏟陸續抬起后又逐步回落到原位，通過土壤的上下移動以及撕裂、擠壓和擾動作用，有效破壞犁底層，從而改善土壤耕層結構，增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力。深松鏟是深松機的主要工作部件，在深松作業時承受復雜、隨機變化的沖擊載荷，是深松機設計的難點和重點[4]。傳統的類比設計方法是在經驗的基礎上進行的，對深松鏟的結構和尺寸以及載荷的設計都不夠精確。有限元法是一種在工程中常用的解決復雜問題的近似數值分析方法，其在機械結構強度和剛度上有較高的計算精度。本文對國標深松鏟柄進行了有限元強度分析，同時對其鏟柄結構進行了優化。

1 深松鏟柄受力分析

深松工作部件可以分為兩部分：一是傾斜AB斜面（具有固定鏟尖、破土和起土的作用，能夠減少深松阻力）；二是上部垂直部分BC（固定深松鏟作用）。其受力情況如圖1所示。

圖1 鏟柄受力圖

工作時，機具以速度V前進，與水平面成α角的斜面AB相當于一個單楔面。土壤對其作用力FN垂直于AB面，近似作用于AB段中點。行進中，有一個沿AB面指向后方的摩擦力f，力FN與力f合成阻力R。阻力可以分解為水平分力Rx和垂直分力Ry，垂直分力Ry是作業時工作部件抬起耕層土壤，起到松動耕層的有用阻力與其同時產生的水平分力Rx為工作時牽引阻力的一個組成部分。

除上述AB斜面所受阻力外，尚有BC段工作阻力FP。阻力FP與前面的水平分力Rx合成了工作部件的總牽引力，而阻力FP與合成阻力R合成了工作部件的總阻力[5，6]。

2 深松鏟柄的三維建模與有限元分析

2.1 鏟柄的三維模型

圖2 深松鏟柄三維模型

由農業機械設計手冊中輕型深松鏟柄的設計標準可知[7]，整個鏟柄的長約600mm，鏟柄與鏟刃的上部約為310mm，下部約為290mm，鏟柄厚度為18mm。連接鏟尖的部分與水平方向成23度角，這樣是為了確保深松鏟在入土后鏟柄部分仍然具有相當的入土趨勢。深松產柄采用65Mn制造，其材料屬性為：楊氏模量197GPa，泊松比0.23，質量密度7.81×103kg·m-3，屈服強度785MPa，抗拉強度980GPa。INVENTOR參數化設計后的鏟柄三維模型如圖2所示。

2.2 單元劃分

INVENTOR與ANSYS能夠實現無縫連接，通過兩者之間的接口將實體模型導入ANSYSWORKBENCH工作界面中，采用自由網格劃分，網格形狀為8個節點的四面體，SMART網格。如圖3，其鏟柄模型節點個數1294個，單元數為591個。

圖3 網格劃分結果圖

2.3 鏟柄的材料定義、載荷及邊界材料的添加

按照65Mn的材料屬性，在WORKBENCH中添加材料。然后在三維模型上添加載荷和邊界條件（圖4）：載荷按照沈陽農業大學牛彥通過土槽實驗分析，確定深松鏟作業載荷，其鏟尖受力平均水平力為1800N和平均垂直力為2870N[4]；為了模擬深松鏟真實工作情況，故在鏟柱的兩個螺栓孔施加約束，限制3個移動自由度以及2個垂直于孔軸線方向的轉動自由度[8]。

圖4 65Mn載荷及邊界材料的添加

2.4 計算結果分析

在WORKBENCH中對鏟柄模型進行有限元分析（圖5）。

圖5 深松鏟柄有限元分析結果

（1）由圖5中（a）圖可知，等效應力最大值在鏟柄底部，其最大值為104.88MPa，小于材料的屈服強度。

（2）由圖5中（b）圖可知，鏟柄上部位置的應力較大，最大主應力位于鏟柄與鏟尖連接處，其值為84.254MPa。其最大應力在允許的范圍內，即結構的強度、剛度滿足設計要求[9]。

（3）由圖5中（c）圖可知，最小主應力的最大值同樣位于鏟柄與鏟尖連接處，其最大值為5.1695MPa。

（4）由圖5中（d）圖可知，鏟柄的最大變形處也位于鏟柄和鏟尖連接處，最大變形值為0.50116mm，越接近后部變形越小。

（5）由圖5中（e）圖可知，其安全系數均大于1，滿足設計的要求。

3 優化分析

通過計算結果可知，鏟柄下端存在細微變形量，鏟柄與鏟尖連接處存在應力集中的現象。故應當適當增加鏟柄與鏟尖連接處的寬度或厚度[10]；增加鏟柄下端過渡圓角半徑；同時為節省材料，在滿足耕深的要求下，可適當減少鏟柄垂直部分的長度。

將鏟柄與鏟尖連接處厚度由12mm變為17mm；過渡圓角由R10變為R20；在滿足耕深的條件下，將鏟柄垂直部分減少50mm。對優化后的鏟柄重新建模，對其進行有限元分析，結構為：等效應力最大值72.058MPa，相比原來約降低31%；最大主應力最大值變為49.847MPa，相比原來約降低41%；最小主應力最大值變為2.1185MPa，相比原來約降低59%；變形量變化不太明顯；安全系數最小值變為10.849，相比原來約增加31%；質量相比原來減少7.7%。通過優化鏟柄結構，除變形量外，其各項參數相比原來變化顯著，提高了鏟柄的性能。

4 結論

深松鏟作為受力部件，用傳統的方法校核并優化結構，其過程過于復雜繁瑣。通過INVENTOR建立三維模型，給其模型添加材料屬性后，通過ANASYSWORKBENCH進行有限元分析，可很快得出應力、變形、最小安全系數等參數。通過多次建模與分析的反復迭代，能夠實現快速的優化設計，得到滿意的深松鏟柄的三維模型，簡化了優化設計過程。

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