基于ANSYS Workbench的小型松土機構件有限元分析

摘要：翻土鏟是小型松土機的重要構件，其對強度、硬度、耐磨性要求較高。同時，在工作過程中翻土鏟在敲打地面時會產生強烈的振動，如何減小振動對整個機構的影響使機構能夠穩定運轉也至關重要，各個翻土鏟的排列順序以及相互之間錯開的角度，會對機器的運行造成較為明顯的影響。

關鍵詞：ANSYS Workbench;翻土鏟;網格劃分;約束載荷

此種小型松土機工作原理，是從人們用鐵鏟挖土的方法靈感而來，模擬人們在土地翻土時手工鏟擊動作，以等價轉換的方式用翻土鏟來實現對土地的翻松[1]。由動量定理可知：F×△t=m×△v。當翻土鏟的質量固定，給以相對較高的速度，設定很低的時間，這樣得出作用在土地上時力的大小，當力大小適宜時，便可把土面翻動。

1.有限元分析特點

相比于傳統的人工校核分析法，通過計算機軟件進行的有限元分析法則具有智能化、精度高、耗時短等特點，同時也為工程案例的分析提供了更精確的保障[5]。因此，本文將采用ANSYS Workbench軟件對小型松土機的翻土鏟進行有限元分析，通過求解所得的零部件總體變形圖，分析校核翻土鏟在工作過程中是否會發生失效。

2.模型建立和網格劃分

ANSYS分析任務的開展，需要預先存在一個小型松土機的翻土鏟實體模型。正因為建模的工作是完成整個案例分析的首要工序，故占據著非常重要的地位。建立翻土鏟實體模型的時候，可以通過其他三維軟件完成建模工作，再將其保存為ANSYS可識別的文件模式，便可于Geometry模塊中順利加載出外部模型。

網格劃分工具平臺實際就是為ANSYS軟件的不同物理場和求解器提供相應的網格文件，該步驟在將實體模型轉變為有限元模型的過程中起到至關重要的作用。選擇劃分網格方法的合適與否將直接影響網格劃分的質量，進而對后期分析求解的精度和速度也會造成極大的影響。針對本文所研究的小型松土機，進行單獨劃分翻土鏟的網格時，將在Mechanical模塊中進行網格劃分的操作。而在Mechanical的樹形分支下，Mesh步驟中已有自動化分網格選項，但其劃分的網格均勻度較差，且網格數量較少，故需要進一步地在Mesh分支的明細欄里進行細化設置，將Relevance處改為100，Relevance Center改為Fine，Transition改為Slow，之后重新Generate Mesh獲得網格密度較高的劃分模型。

3. 施加約束載荷分析

創建完幾何體的網格劃分后，考慮工程運行中所受到的負載及約束情況，對翻土鏟進行靜力學分析。施加約束是為了對小型松土機的翻土鏟在空間中可能發生的位移進行限制，針對Mechanical模塊常見的固定約束、無摩擦約束、圓柱面約束、固定旋轉約束，設計翻土鏟有限元模型施加約束及載荷的結果如圖1所示。

4.求解處理分析結果

由于翻土鏟是與地面直接接觸的工作部件，它運行強度高、次數多，因此該處也為關鍵的易失效部位。經受力分析，翻土鏟主要受到與地面接觸的打擊力，連接部位極易發生損傷。對翻土鏟的實體模型進行有限元網格劃分，對其施加約束和載荷后，進入分析求解階段。查看翻土鏟的總體變形圖，如圖2所示，由求解結果可知，其最大變形量、最大應力與應變值都發生在前端位置。為防止翻土鏟磨損嚴重，本文在設計中選擇翻土鏟材料為HT200，由圖示變化程度可以看出，翻土鏟的變化量均未達到失效的程度，因此在打擊力F=1300N的作用下，翻土鏟的設計是符合安全要求的。

參考文獻：

[1]張鍶戩，劉薊南，張千宇. 一種小型耕作松土機械的設計與分析[J].南方農機，2019，50（04）

[2]梁新忠，朱松，何彥平.雙軸分層切土旋耕機旋耕部件的設計[J].農業裝備技術. 2020（02）

[3]李冬梅.論設施農業裝備發展中存在的問題及對策[J].農機使用與維修. 2014（10）

[4]馬計龍.農業用深耕松土機開發試驗[J].南方農機. 2018（24）

[5]王世海.基于ANSYS workbench的構架結構優化分析[J]. 科技視界. 2021（15）

作者簡介：張建平（1985-3-1）男、漢族 遼寧海城市人 沈陽農業大學碩士、實驗師、研究方向：農業裝備工程