基于Inventor的運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析方法

摘要：農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，這導(dǎo)致其設(shè)計(jì)研發(fā)難度較大。以振動(dòng)深松鏟柄的固定件和鏟柄兩個(gè)零件設(shè)計(jì)為例，介紹運(yùn)用Inventor軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析的主要步驟和結(jié)果，以期為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：Inventor；運(yùn)動(dòng)仿真；有限元分析；農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S220.2" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1674-1161（2023）04-0030-02

農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜，作業(yè)對(duì)象具有極大的隨機(jī)性，且受季節(jié)、溫度、濕度、土壤類型、土壤緊實(shí)度、地形等多種因素影響，多變的工況給其研發(fā)造成極大困難。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)大多沿用傳統(tǒng)的定性理論、經(jīng)驗(yàn)估算和類比法等設(shè)計(jì)方式，缺少有限元分析等步驟，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械壽命較短。針對(duì)于此，通過實(shí)例介紹基于Inventor軟件的運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析，可解決農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中相關(guān)零部件的應(yīng)力與變形問題，并對(duì)零部件強(qiáng)度與剛度等設(shè)計(jì)計(jì)算提供可靠依據(jù)，從而縮短農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品技術(shù)含量、優(yōu)化農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)方法^[1-2]。

1 運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析技術(shù)

1.1 運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真是對(duì)二維或三維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分析。首先，創(chuàng)建三維實(shí)體，建立實(shí)體各部件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，賦予三維實(shí)體各部件的動(dòng)力學(xué)屬性。然后，通過Inventor軟件建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，借助計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算，創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真規(guī)律。

運(yùn)動(dòng)仿真可將機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的位移、速度和加速度等指標(biāo)通過移線圖、速度線圖和加速度線圖等曲線呈現(xiàn)出來，以此來完成對(duì)三維實(shí)體各部件的工作分析。設(shè)計(jì)者利用圖形捕捉并分析工作參數(shù)，例如受力、位移、速度等，以此來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如運(yùn)動(dòng)軌跡的包絡(luò)、干涉的捕捉與檢查等。

1.2 有限元分析

有限元是指集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元法最初也被稱為矩陣近似方法，它是在連續(xù)體上直接進(jìn)行近似計(jì)算的一種方法，它將連續(xù)的求解區(qū)域離散成一組有限單元的組合體。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，為有限元方法計(jì)算提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使有限元方法迅速得到了推廣和應(yīng)用，有限元法也從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種應(yīng)用廣泛、高效實(shí)用的數(shù)值分析方法。有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，將一個(gè)求解域分解成多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的有限元子域組，并對(duì)每一個(gè)有限元假定一個(gè)近似解，從而推導(dǎo)這個(gè)求解域總的滿足條件。有限元技術(shù)具有計(jì)算精度高、能夠適應(yīng)復(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的工程分析手段。

2 Inventor運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析在農(nóng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械可看成是由一些桿、板、軸、塊等零部件組成的結(jié)構(gòu)。以振動(dòng)深松鏟柄的固定件和鏟柄兩個(gè)零件設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用Inventor軟件的運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析可分為3個(gè)步驟：三維實(shí)體模型的建立與材料定義、運(yùn)動(dòng)仿真分析和有限元分析。

2.1 三維實(shí)體模型的建立

利用Inventor軟件創(chuàng)建固定件和鏟柄三維實(shí)體，并進(jìn)行單元屬性和材料設(shè)置。三維實(shí)體如圖1所示。

通過裝配給定零件的幾何關(guān)系來構(gòu)建幾何模型，其中通過“約束”設(shè)定固定件，設(shè)定鏟柄可以繞轉(zhuǎn)軸孔擺動(dòng)。鏟柄裝配體如圖2所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

在“裝配”界面下，進(jìn)入“運(yùn)動(dòng)仿真”。首先設(shè)置“外部載荷”，定義力的大小和方向（力9 800 kN，方向沿X軸）；設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)件“鏟柄”的“鉸接（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)”，選擇自如度下的設(shè)置，初始位置設(shè)定為0 °，“啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)條件”為“速度”，設(shè)置后啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真，可使鏟柄轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)置允許鏟柄最大轉(zhuǎn)動(dòng)20 °。在“輸出圖示圖”中，可以看到鏟柄總的力矩圖，也可看到坐標(biāo)系中各個(gè)分力矩。總力矩如圖3所示。

看到各時(shí)間點(diǎn)力矩后拖動(dòng)時(shí)間點(diǎn)，選中有價(jià)值的點(diǎn)，如初始點(diǎn)、中間曲率變化較大的點(diǎn)和終止點(diǎn)。通過以上操作后，點(diǎn)擊“添加零件”來選擇鏟柄，確定受力面，之后退出“運(yùn)動(dòng)仿真”。

2.3 有限元分析

進(jìn)入“應(yīng)力分析”，在這個(gè)界面內(nèi)添加所需選項(xiàng)，確定“運(yùn)動(dòng)方案”，選擇“載荷分析”，選擇各點(diǎn)受力情況。也可對(duì)“運(yùn)動(dòng)仿真”中全部時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算分析，確定后點(diǎn)擊“分析”則開始運(yùn)行，這時(shí)可看到選定點(diǎn)的分析圖并生成報(bào)告^[3]。應(yīng)力分析報(bào)告如圖4所示。

通過分析報(bào)告能了解各時(shí)間點(diǎn)處鏟柄的應(yīng)力情況，可根據(jù)鏟柄應(yīng)力情況來了解鏟柄結(jié)構(gòu)是否合理。如果存在問題，返回到“三維建模”來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或修改或改變鏟柄形狀。

3 結(jié)論與討論

通過鏟柄應(yīng)力分析報(bào)告可看出，鏟柄最大應(yīng)力處為垂直狀態(tài)受力，最大應(yīng)力值為7.397×10⁷ Pa，小于材料的屈服應(yīng)力2.75×10⁸ Pa，鏟柄設(shè)計(jì)安全。

應(yīng)用Inventor運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析，通過振動(dòng)深松鏟柄的三維實(shí)體模型建立、運(yùn)動(dòng)仿真分析，可將運(yùn)動(dòng)仿真的FEA數(shù)值導(dǎo)入應(yīng)力分析中并進(jìn)行有限元分析計(jì)算。通過應(yīng)力分析報(bào)告來評(píng)估設(shè)計(jì)的合理性，這種方法極大降低了設(shè)計(jì)的運(yùn)算量和試錯(cuò)次數(shù)、提高了計(jì)算精度、縮短了設(shè)計(jì)周期。因此，運(yùn)動(dòng)仿真與有限元分析在農(nóng)機(jī)及其零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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Motion Simulation and Finite Element Analysis Method Based on Inventor

LIU Lin

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： The operating environment of agricultural machinery is very complex， which leads to its difficulty in design and development. Taking the design of two parts of the fastener and the" shovel shaft of the vibration subsoiling shovel shaft as an example， this paper introduces the main steps and results of motion simulation and finite element analysis with Inventor software， so as to provide technical reference for agricultural machinery designers.

Key words： Inventor; motion simulation; finite element analysis; agricultural machinery; design

收稿日期：2023-04-03

基金項(xiàng)目：遼河平原區(qū)褐土防蝕保墑培肥與產(chǎn)能協(xié)同提升關(guān)鍵技術(shù)和示范（2022YFD1500605）；遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2022DD289549）

作者簡(jiǎn)介：劉 琳（1973—），男，高級(jí)工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的工作。