劉祖國(guó)，張大斌，雷 焱，余朝靜，盧 澤

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

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基于ANSYS刮板靜應(yīng)力及優(yōu)化分析

劉祖國(guó)，張大斌*，雷 焱，余朝靜，盧 澤

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

為了有效提高地膜回收效率，研究了膜土分離裝置的刮板結(jié)構(gòu)。首先利用SOLIDWORKS建立了刮板的三維模型，然后通過(guò)ANSYS Workbench軟件對(duì)刮板進(jìn)行了靜態(tài)分析，利用Design Explorer模塊在靜應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對(duì)膜土分離裝置的刮板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)刮板模型施加相應(yīng)的載荷，分析刮板總變形量并得到優(yōu)化后的刮板參數(shù)化模型。分析結(jié)果表明，固定面的長(zhǎng)度是27.5時(shí)，固定面連接的面的長(zhǎng)度是2.3時(shí)刮板的變形量及應(yīng)力最小。

刮板；ANSYS;優(yōu)化設(shè)計(jì)；靜態(tài)模型

刮板是回收地膜作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵部件，主要是將附在膜上面的土壤分離，避免將膜連土壤一起拾起，這增加了收膜的難度。近年來(lái)許多學(xué)者研究了地膜的回收問(wèn)題，如羅東升等[1]發(fā)明了1ZSM II型地膜回收機(jī)；蔣建榮[2]研發(fā)了QMB 1500型后置式起膜拔棉稈機(jī)；張惠友等[3]研制了收膜整地多功能作業(yè)機(jī)，這些機(jī)型都是處理作物收獲后地膜被土壤覆蓋難以回收的問(wèn)題。目前，為了防止地膜被風(fēng)掀離壟面，在覆膜時(shí)會(huì)在地膜邊緣覆上一層覆膜土，這層覆膜土隨著覆蓋時(shí)間的推移，在雨水和人為作用下，土壤與地膜板結(jié)在一起，將嚴(yán)重阻礙地膜的回收，這也是導(dǎo)致苗期地膜無(wú)法完整回收的主要原因。因此地膜回收機(jī)需要設(shè)置膜土分離裝置，在收膜裝置作業(yè)前將邊膜上的壓膜土與地膜分離，以便卷膜輥能順利且較為完整地回收地膜。

針對(duì)土壤覆蓋地膜難以回收的問(wèn)題，本文提出了一種膜土分離裝置—刮板，既能將地上的覆膜土疏松，又能將塊狀覆膜土從地膜上刮離；并利用有限元分析了刮板在收膜過(guò)程中的應(yīng)力變形情況，基于優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，對(duì)刮板六西格瑪優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[4-7]。

1 刮板的工作原理分析

刮板的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中刮板入土角為α=23°，厚度為2 mm。刮板作為揭膜機(jī)高效回收的重要部件，它主要是通過(guò)與固定面連接的斜板把板結(jié)在地膜上的土塊刮開(kāi)，再進(jìn)行揭地膜，有效的提高地膜的回收效率。

圖1 刮板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 刮板結(jié)構(gòu)受力分析

刮板在進(jìn)行刮土?xí)r所受的土壤阻力是地膜回收機(jī)所受外力的重要組成部分，其受力部位理論上主要由AB斜面和豎直平面BC承擔(dān)(見(jiàn)圖2)。

圖2 工作時(shí)的刮板結(jié)構(gòu)受力情況

工作時(shí)，隨著機(jī)具的前進(jìn)，土壤對(duì)AB面的作用力N垂直于面AB，由理論力學(xué)可知，N所作用力的點(diǎn)可視為AB段的中點(diǎn)。在膜土分離作業(yè)過(guò)程中，除了阻力N外，還有一個(gè)沿AB面的摩擦力F，可將F與N合力，記為R。將合力R可以分解為力Rx和Rz，其中Rz主要是把土壤和地膜分離的有效阻力；Rx則表示將土翻起的力。

在膜土分離時(shí)，主要受力面為AB面，以及刮板另一部分BC段受到力P作用，由于機(jī)具是向前水平推動(dòng)刮板，所以在水平方向受到一個(gè)垂直BC段的力P。同時(shí)在水平方向上有兩個(gè)阻力，分別是P和Rx的水平阻力，由力的合成得到了總阻力R'。阻力R與水平面所成的夾角為β，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)附加力偶，這個(gè)力偶由機(jī)架的支承力來(lái)平衡。

刮板工作時(shí)，抬起覆膜土并使之松動(dòng)的作用力大小為Rz。由力的分解可知地膜回收機(jī)在進(jìn)行回收地膜工作時(shí)主要受到來(lái)自刮板的阻力為：

Px=Rzcot β'

(1)

由式(1)可知，當(dāng)Rz一定時(shí)，β'角越大，刮板的阻力越小，當(dāng)β'=β時(shí)，得到最大的合力作用角，且有關(guān)系式：

α+β+φ=90°

(2)

式中：α為起土角，β為合力作用角；φ為摩擦角。

由式(2)可知，因?yàn)槟Σ两鞘怯赏寥绤?shù)與金屬表面確定的參數(shù)，所以當(dāng)α角減小時(shí)β角將增大，這將有利于工作阻力的減小，但α過(guò)小時(shí)，會(huì)降低刮板尖端的強(qiáng)度，為得到一定的抬土高度，減小α?xí)r，同時(shí)增加刮板尖端的水平長(zhǎng)度，因此也會(huì)導(dǎo)致刮板鏟尖尺寸變大。綜合膜土分離效果因素，現(xiàn)將α角定為23°。由于土壤是由石粒和一些其他的顆粒狀的物質(zhì)組成，使用在土壤與刮板間摩擦系數(shù)較大，摩擦系數(shù)應(yīng)取在0.4～0.8之間。

1.2 刮板作業(yè)時(shí)牽引阻力計(jì)算

由于刮板工作情況復(fù)雜，因此在計(jì)算刮板工作時(shí)受力的理論值時(shí)，常采用經(jīng)驗(yàn)公式[8]進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立刮板受力模型如圖2所示，圖2中AB為刮板。

由圖2可知，工作時(shí)刮板產(chǎn)生的牽引阻力主要由三部分組成：刮板與溝底、溝壁的摩擦力；刮板切割土壤并使其變形的有效阻力；將土壤從刮板一側(cè)拋出時(shí)受到的土壤對(duì)刮板側(cè)面的摩擦阻力在機(jī)器前進(jìn)方向上的分力。其表達(dá)式為：

(3)

故可得：

F刮=μG+khbsin γ(1+usin γ)

(4)

式中：本文取摩擦系數(shù)μ=0.8；γ—刮板偏向角即刮板與地膜回收機(jī)前進(jìn)方向夾角，此處選擇60°；G—機(jī)架施加給刮板的下壓力，此處由經(jīng)驗(yàn)取為100 N；k—土壤的阻力系數(shù)，在此取為10 N/cm2；h—刮板刮土?xí)r的深度，此處為2 cm；b—刮板的寬度AB段，此處為10 cm。

簡(jiǎn)化了刮板阻力計(jì)算模型后，經(jīng)過(guò)計(jì)算得單塊刮板所受阻力值F刮約為550 N，該結(jié)果可為有限元分析優(yōu)化提供理論參考。

2 刮板的有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力理論分析

結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力在有限元中主要是指結(jié)構(gòu)在受到靜態(tài)的載荷時(shí)，加載在結(jié)構(gòu)上的慣性和阻尼可以忽略。在此情況下達(dá)到結(jié)構(gòu)的靜態(tài)平衡，又有慣性主要的決定因素是質(zhì)量，使用如果忽略了慣性的作用，則結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的影響就可以忽略。在WORKBENCH平臺(tái)中通過(guò)設(shè)置靜應(yīng)力就可以得到結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)。

通過(guò)有限元經(jīng)典力學(xué)理論可知，忽略慣性和阻尼的靜力學(xué)方程為：

[M]{x′′}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

(5)

通過(guò)分析忽略質(zhì)量[M]和阻尼矩陣[C]，則上式可以轉(zhuǎn)化為：

[K]{x}={F(t)}

(6)

由于在線性結(jié)構(gòu)分析中，與時(shí)間t相關(guān)的參數(shù)都將被忽略，所以上式簡(jiǎn)化為

[K]{x}={F}

(7)

式中：[K]是剛度矩陣；{x}是位移變化矢量；{F}是力的矢量。

2.2 刮板有限元靜態(tài)分析

通過(guò)對(duì)刮板的有限元靜態(tài)分析[9-10]，首先建立了有限元刮板網(wǎng)格模型，如圖3所示。

由于在進(jìn)行靜應(yīng)力分析時(shí)，判斷靜應(yīng)力準(zhǔn)確性的好壞主要依靠刮板的網(wǎng)格質(zhì)量，當(dāng)網(wǎng)格質(zhì)量靠近1時(shí)，分析出來(lái)的應(yīng)力變形效果云圖的準(zhǔn)確信最好。本文為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量和分析的快慢，采用的是三面體網(wǎng)格，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為15144，網(wǎng)格單元為8011，網(wǎng)格質(zhì)量見(jiàn)圖4。

圖4 刮板網(wǎng)格質(zhì)量

從圖4可以看到，網(wǎng)格質(zhì)量趨近于1，所以網(wǎng)格質(zhì)量良好。

其次就是通過(guò)設(shè)置約束條件,因?yàn)樵诠伟暹M(jìn)行把地膜表面的土壤刮掉的過(guò)程中主要是約束了固定在刮板上的兩個(gè)螺紋孔，通過(guò)機(jī)具向前的推進(jìn)，刮板的弧形斜面就接觸到土壤，計(jì)算對(duì)刮板作業(yè)時(shí)牽引阻力我們可以知道刮板所受阻力值F刮=550 N，α=23°，再對(duì)其進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

通過(guò)圖5中設(shè)置了A為固定約束，B為載荷約束，通過(guò)公式P=S/F，得到施加載荷為0.055 MPa。在ANSYS中設(shè)置好約束條處理后，得到如圖6所示的總變形云圖及應(yīng)力變化云圖。

圖5 刮板的約束及加載

圖6 總變形及彈性力變化云圖

通過(guò)云圖分析，我們可以看到：

(1)在施加載荷后，發(fā)生變形量最大的部分是在刮板的斜面與土壤接觸的地方，且最大變形量為0.026 mm，由于我們是對(duì)刮膜板靜態(tài)時(shí)的仿真，所以變形量很小，如果長(zhǎng)期的進(jìn)行刮土作業(yè)，載荷會(huì)隨著土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變而產(chǎn)生沖擊，在連續(xù)的沖擊下就會(huì)使變形加大，使得刮膜板失去原有的功效，刮膜板的斜面板將沿x軸的正方向扭轉(zhuǎn)變形，所以我們可以通過(guò)向斜面板焊接一根支撐條來(lái)分散一部分載荷。

(2)由圖6中的云圖可以看出，刮膜板的等效彈性應(yīng)力最大集中位置為斜面刮板與固定面連接處，這主要是由于固定面是固定在機(jī)架上的而刮板是接觸土壤的，所以等效彈性應(yīng)力大部分由連接面承擔(dān)而與機(jī)架固定的面的應(yīng)力的一部分由機(jī)架承擔(dān)了。如果長(zhǎng)時(shí)間地工作，應(yīng)力集中在連續(xù)處的這個(gè)部位將會(huì)使刮板從接觸的地方斷裂，縮短使用壽命。一般可以通過(guò)加厚連接部位的厚度，采取密封焊接技術(shù)來(lái)加強(qiáng)連接處的強(qiáng)度。

3 刮板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在有限元軟件中，可以通過(guò)參數(shù)化建模來(lái)分析各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程，本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要設(shè)置了刮膜板的長(zhǎng)度參數(shù)，分別是固定面的長(zhǎng)度與固定面連接的面的長(zhǎng)度，選定設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)后，采用六西格瑪優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，刮膜板優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

由表1的分析數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)P1是27.5，P2是2.3時(shí)，對(duì)應(yīng)的總變形量及有效彈性力的平均值最小，能夠減少刮膜板的變形。通過(guò)Six Sigma Analysis可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)的敏感性結(jié)果，如圖7所示。

圖7 P1、P2、P3、P4靈敏度關(guān)系圖

從圖7中可以分析得到對(duì)于等效彈性力長(zhǎng)度P1、P2與P3是成正比的，而對(duì)于P4、P1是與P4成正比而P2與P4是成反比，經(jīng)過(guò)六西格瑪優(yōu)化設(shè)計(jì)分析后得到最優(yōu)的點(diǎn)是P1為27.5，P2是2.3。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)刮板進(jìn)行力學(xué)模型分析可計(jì)算出當(dāng)刮板在進(jìn)行刮土作業(yè)時(shí)所受力的大小和土對(duì)刮板的阻力的大小，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了約束條件。

(2)利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，建立了刮膜板優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，可計(jì)算出變形量與有效彈性力最小時(shí)的最優(yōu)長(zhǎng)度參數(shù)。

(3)利用六西格瑪優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)間，有效地加快了人為優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)程，并得到了可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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(責(zé)任編輯：熊文濤)

2016-09-05

貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基地項(xiàng)目(CXJD[2015]003)；廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(1212014015)

劉祖國(guó)(1992- )，男，貴州銅仁人，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

張大斌(1976- )，男，貴州貴陽(yáng)人，貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，本文通信作者。

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2095-4824(2016)06-0106-04