基于ANSYSWorkbench的太陽能田園管理機(jī)開槽刀模態(tài)分析

王青 周東華

關(guān)鍵詞：太陽能田園管理機(jī);開槽刀;模態(tài)分析

中圖分類號：TG502 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0072-03

Abstract：Slotting knife is an important part of solar farm management machine slotting. The natural frequency and mode of vibration of slotting knife will affect the reliability and safety of the whole machine to a great extent. Therefore，the three-dimensional solid model of slotting cutter is established by software Pro/E，and the model is imported into finite element analysis software ANSYS. The modal analysis of the model is carried out. The first six natural frequencies are extracted and compared with the frequencies of external loading. The analysis results show that the strength and stiffness of slotting cutter meet the design requirements，and the vibration effect is very small，and resonance will not occur，which will lead to the machine being destroyed.

Keywords：solar energy pastoral management machine;slotting cutter;modal analysis

0 ?引 ?言

由于田園地形多為丘陵或者山地，具有機(jī)械操作空間較小、土壤潮濕的特點(diǎn)，太陽能田園管理機(jī)既要滿足機(jī)械功能要求又要滿足田園農(nóng)藝要求，并且要盡量減小電動管理機(jī)的體積，使整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊。在目前的管理機(jī)設(shè)計中，由于機(jī)械和土壤環(huán)境等條件的限制，還沒有發(fā)現(xiàn)可以用于田園開槽的相關(guān)機(jī)械設(shè)備。對于田園里面的植物，由于其自由生長而產(chǎn)生的根莖雜錯相交，不利于植物的生長。故研究設(shè)計一種可以切斷根系又符合綠色發(fā)展理念的太陽能田園管理機(jī)，有其現(xiàn)實意義和必要性。田園管理機(jī)開槽功能是為了減少勞動強(qiáng)度，該設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)是使應(yīng)用于田園環(huán)境的電動管理機(jī)具備開槽功能，槽寬約為60mm。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，田園管理工作機(jī)械化的需求越來越明顯，太陽能田園管理機(jī)有助于減少管理者的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。由于田園工作環(huán)境相對復(fù)雜，因此太陽能田園管理機(jī)必須要安全可靠以保證人們的操作安全。

太陽能田園管理機(jī)的開槽設(shè)備是管理機(jī)進(jìn)行開槽時切斷植物根莖的核心設(shè)備，因此，此設(shè)備必須要安全可靠，以免影響到整個機(jī)器的工作質(zhì)量以及工作人員的人身安全。開槽刀的設(shè)計是否安全合理關(guān)系到整機(jī)能否正常而有效地工作，所以它在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，剛度和強(qiáng)度必須要滿足設(shè)計需求。開槽刀在設(shè)計過程中，為了驗證它是否安全合理，在設(shè)計過程中用軟件對開槽刀模型進(jìn)行模態(tài)分析，對開槽刀的振動參數(shù)進(jìn)行分析。通過運(yùn)用Pro/E軟件對開槽刀建立三維幾何模型，并利用有限元分析軟件對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，可以降低開槽刀的設(shè)計成本。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件來實現(xiàn)對太陽能田園管理機(jī)開槽刀的動態(tài)特性分析。針對本文中開槽刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對開槽刀進(jìn)行了模態(tài)分析，驗證該設(shè)計是否合理。

1 ?有限元模型的建立

開槽刀既要滿足開槽斷根莖的要求又要滿足結(jié)構(gòu)簡單實用的要求。在設(shè)計開槽裝置時，要設(shè)計環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)精簡的裝置，其主要由主軸孔、刀盤、刀頭等零件焊接而成。開槽刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對太陽能田園管理機(jī)開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析，首先要對所設(shè)計的開槽刀建立三維實體模型。

建立模型的方式有兩種：一是利用繪圖工具箱里的特征創(chuàng)建線或者表面體設(shè)計生成3D模型;二是利用導(dǎo)入外部幾何體文件特征直接創(chuàng)建三維實體模型。

一般建模選第二種，即通過其他繪圖軟件建好模型后，將模型轉(zhuǎn)換成ANSYS可識別的格式，然后將所建的模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入ANSYS中對模型進(jìn)行模態(tài)分析。本文首先運(yùn)用三維繪圖軟件對開槽刀建立三維實體模型，然后再轉(zhuǎn)換為STP格式，最后將STP格式的開槽刀模型導(dǎo)入到ANSYS中。建立后的開槽刀三維模型如圖1所示。

把建好的模型導(dǎo)入ANSYS后，進(jìn)入分析模塊。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了驗證所涉及的開槽刀是否安全可靠，對開槽刀模型進(jìn)行模態(tài)分析，可以為設(shè)計的安全性和合理性的判斷提供理論依據(jù)。在進(jìn)行模態(tài)分析的過程中，需要滿足以下假設(shè)條件：滿足小變形理論;材料為線彈性材料;分析不受載荷、慣性與溫度的影響。

1.3 ?材料屬性

本文中開槽刀由刀頭與刀盤組成：刀頭與刀盤通過焊接的方式連接，刀頭的材料為65Mn，刀盤的材料為45鋼，材料屬性如表2所示。

對于三維幾何體，ANSYS中的網(wǎng)格劃分方法包含自動劃分法、四面體劃分法、六面體主導(dǎo)法、掃掠劃分法等。本文采用自動劃分法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生124971個節(jié)點(diǎn)和59748個單元。劃分完網(wǎng)格的開槽刀模型如圖2所示。

對開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析就是要確定所設(shè)計的開槽刀的固有頻率和振型。開槽刀的每一個模態(tài)都具有特定的固有頻率和振型，對于模態(tài)分析，通過公式計算得出振動頻率ωi和模態(tài)Φi。

對開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析獲得開槽刀的固有頻率和振型，從而驗證開槽刀是否在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生共振破壞現(xiàn)象。分析時，對開槽刀主軸孔采用兩端面固定以及約束x軸和z軸方向的轉(zhuǎn)動。所以，在對開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析時，開槽刀主軸的軸向位移和徑向位移都受到了限制。經(jīng)ANSYS分析得到相應(yīng)的振型如圖3～圖8所示。

由振型云圖可以得出，開槽刀的刀頭附近的振動最強(qiáng)烈。由分析公式計算得出，開槽刀在進(jìn)行開槽時，動力是通過傳動軸傳遞給開槽刀并帶動開槽刀旋轉(zhuǎn)，開槽刀的振動是沿著刀頭向外逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致刀頭的外邊緣容易發(fā)生彎曲。在開槽刀前振型中，固有頻率在385.91～914.12Hz之間，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，固有頻率也在增加。開槽刀的設(shè)計轉(zhuǎn)速，遠(yuǎn)低于1階模態(tài)下的固有頻率385.91Hz時的速度。根據(jù)分析，可以判斷出所設(shè)計的開槽刀是安全可靠的，不會發(fā)生共振破壞現(xiàn)象。

3 ?結(jié) ?論

（1）通過對太陽能田園管理機(jī)的開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析可知，開槽刀振動最強(qiáng)烈的部分是刀頭外邊緣，并且開槽刀的刀頭外邊緣相對容易發(fā)生振動彎曲變形。

（2）根據(jù)對開槽刀進(jìn)行模態(tài)分析的結(jié)果，驗證了太陽能田園管理機(jī)的開槽刀設(shè)計的安全性，確保了機(jī)器設(shè)備的整體性。

（3）運(yùn)用建模軟件對開槽刀進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了開槽刀前6階固有頻率和最大載荷，為后續(xù)的設(shè)計研究提供了研究依據(jù)。

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作者簡介：王青（1976.12-），男，漢族，江西九江人，工程師，本科，研究方向：機(jī)械制造及自動化。