基于ANSYS的綠葉蔬菜自動化漂浮栽培系統部件靜力學分析

管天源 申允德 繆熠楠 董旭華 顧佳飛 鄭道放

摘 要：全自動的機械化移栽技術能夠提高工作效率、降低人工勞動強度、提高蔬菜產量、縮短生育期，是蔬菜移栽機械發展的必然趨勢。目前，我國雖已研制有半自動化的蔬菜移栽機械，但受人工喂苗作業速度和強度以及生產勞動力短缺的限制，效率一直無法提高。本文根據對大棚蔬菜種植的技術特點和農藝要求的研究，設計了一套結構合理，性能可靠，作業效率高的全自動化育苗移栽機。首先利用Pro/E進行三維建模和結構設計；然后利用ANSYS對關鍵部件進行靜力學分析；接著將移栽機模型導入ADAMS產生虛擬樣機，進行運動學、動力學仿真及參數優化設計；本文主要討論關鍵部件的靜力學分析。

關鍵詞：機械；ANSYS靜力學分析；自動化

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：B

上個世紀以來，人們解決了糧食短缺等溫飽問題，但隨著物質生活水平的不斷提高，人們對食物及其營養的追求更加精益求精。由于蔬菜中含有人類每天必須攝入的各種營養元素，所以蔬菜的供應需求不斷加大。目前我國蔬菜的種植仍然處于田間播種為主，但是在部分發達地區，采用育苗栽植等作物方式的規模正在不斷擴大，農作物種植方式的機械化、自動化技術研究成為國家重點研究領域。

移栽技術和直播相比，雖然有著費工費時的缺陷，但是其所帶來的優勢卻前所未有。移栽可以有效的避開冬天的低溫、雪霜的凍結等氣候影響，大大提高幼苗的成活率。另外，還能延長蔬菜的生長周期、改善作物的品質，使作物的產量和質量均得到顯著地提高。

上個世紀20年代初期，歐美和日本等發達國家和地區就開始著手研制簡易的移栽機械，當時主要應用在蔬菜等經濟作物的種植領域，后期發展成為大部分糧食作物諸如水稻、玉米的移栽機器。

1 氣缸滑塊與導桿的靜力結構分析

1.1 導入模型與劃分網格

氣缸滑塊的材料為不銹鋼3Cr13，導桿的材料為鋁合金。不銹鋼 材料的彈性模量 ，泊松比 ，密度為。鋁合金材料的彈性模量E=71.7GPA，泊松比u=0.33，密度為 2.81g/cm3。將Pro/E建立好的氣缸滑塊與導桿的三維模型導入到ANSYS中，進行網格劃分。結合其結構的特點，仍然采用自動網格劃分方法，通過幾何模型來自動選擇合適的網格劃分方法。

1.2 添加載荷與約束

無桿氣缸在運行時，滑塊處于固定狀態，氣缸上下運動，主要承受機械手結構的自重。如圖1所示，將滑塊的兩個側面施加約束，在氣缸的端面添加載荷，F=200N。

1.3 分析結果及強度校核

上述可知無桿氣缸的滑塊的材料為鋁合金，根據材料性質可知，其屈服極限為 。根據實際情況，取安全系數為n=2，計算許用應力 。其設計滿足強度要求。如圖2所示為氣缸滑塊與導桿模型的應變分布云圖，圖中最大應變為2.0835 mm。

2 小結

本章主要通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對育苗移栽機的關鍵零部件無桿氣缸進行線性靜力結構分析。其承受載荷較大，危險性最強。靜力分析的流程是：

（1）導入模型和網格劃分；

（2）添加約束和載荷；

（3）結構分析和強度校核。

經過ANSYS Workbench的有限元分析，結果顯示各個零件的強度均符合設計要求。

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