基于Pro_E和ANSYS的深松铲有限元分析

基于Pro/E和ANSYS的深松铲有限元分析

王宏立，张

伟

163319）

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆

摘

要：深松铲是深松机上重要的零部件之一，其品质的好坏直接影响着深松效果乃至整机的性能。应用三维

参数化建模软件Pro/Engineer对深松铲组成零件进行了三维实体造型，然后通过接口传递数据，用有限元分析软结果表明，铲尖和两种截面形状铲柱的强度、刚度能够达到设计要求，为件ANSYS对其变形和应力进行了分析，深松机的优化设计提供了有效的依据。关键词：深松铲；有限元分析；Pro/E；ANSYS

+

中图分类号：S222．129；S126

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2010）12－0033－04

0引言

深松机作为农业机械化生产体系中主要配套机具

征参数。根据Pro/E的参数化建模技术，在分析了各零部件尺寸参数和约束的基础上，制造所需要零部件数据库；利用虚拟装配技术，根据尺寸约束特性将所需的各零部件装配成整体；随后进行干涉检查和整体检查。如果在检查中发现了问题，修改结构或尺寸，直到检查合格为止。1．1

铲柱的三维模型

为寻求铲柱最优结构形状，假定深松铲柱截面形状有梯形和三角形两种结构形式，分析不同截面铲柱的变形及应力情况，如图1所示

。

之一，作业后可加深耕层而不翻转土壤，打破犁底层，增强土壤的透气性，减轻土壤侵蚀，提高土壤蓄水抗旱能力。深松铲是深松机的关键部件，其结构参数与加工工艺水平不仅影响着整机的尺寸和质量，而且在很大程度上影响着深松效果、机器的可靠性及寿命，因此深松铲的强度、刚度研究是深松机设计和制造必不可少的环节。如何快速准确地对深松铲进行设计和校核，并缩短产品设计周期，是摆在设计师面前一个十分棘手的问题。

Pro/E与ANSYS分别是CAD和CAE这两个领域中最具代表性的应用软件。Pro/E拥有强大的实体和曲面造型功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功）三维参数能。本文基于Pro/Engineer（简称“Pro/E”

化设计和ANSYS的有限元分析能力，探索了设计农机具的新思路，只要设计人员改变参数，就可使用Pro/E进行深松铲的参数化设计，并进行有限元分析，从而能够大大减少深松机研究与设计的工作量，提高产品的质量。

1深松铲的三维实体建模

深松铲主要由铲柱和铲尖两部分组成

［1－2］

（a）梯形

图1

（b）

铲柱截面形状

三角形

。利用

经验数据完成深松铲各部分的初步设计，确定其几何尺寸、公差精度、材料特性、结构原理和装配关系等特

收稿日期：2010－02－09

基金项目：黑龙江省农垦总局科研课题（HNKXV－04－09A）

（E－作者简介：王宏立（1971－），男，辽宁昌图人，副教授，博士，

mail）whl08172003@yahoo．com．cn。

Fig．1Sectionalfigureoftheshovelcolumn

Pro/E参数化设计后的铲柱三维实体模型如图2所示。1．2

铲尖的三维模型

根据生产经验，翼形铲尖深松效果较好。Pro/E参数化设计后的铲尖三维模型如图3所示。

LEVEL6级。梯形、三角形截面铲柱模划分方式，

型的节点数分别为8487和12548个，单元数分别为29042和47413个；铲尖节点数为5606个，单元数为17290个。铲柱和铲尖的有限元计算模型分别如图4、图5和图6所示

。

（a）梯形截面铲柱

图2

Fig．2

（b）三角形截面铲柱

深松铲柱三维模型

The3Dmodeloftheshovel

column

图4

Fig．4

梯形截面铲柱有限元模型

TheFEAmodelofthetrapezoidalsectionshovelcolumn

图3Fig．3

深松铲尖的三维模型

The3Dmodelofthetinepoint

2有限元模型的建立

Pro/E与ANSYS能够实现无缝连接，通过两者之

图5

Fig．5

三角形截面铲柱有限元模型

TheFEAmodelofthetrianglesectionshovelcolumn

［3－4］

间的接口将实体模型导入ANSYS中2．1

材料属性

。

深松铲的铲柱、铲尖由合金钢（65Mn）制成，联结用的螺栓、螺母均为中碳高合金钢（35CrMo），其材料主要性能参数见表1所示。

表1

Tab．1

深松铲零件材料性能参数

Materialperformanceparameterofsubsoilingshovelparts材料牌号65Mn

杨氏模量/GPa206214

0．3000．286泊松比

质量密度/kg·m－37．81×1037．85×103

屈服强度/MPa430835

抗拉强度/MPa735985

Fig．6

图6

铲尖有限元模型

零件

铲柱、铲尖

螺栓、螺母35CrMo

TheFEAmodelofthetinepoint

2．2单元划分

经过比较，单元类型统一采用ANSYS单元库中

3

3．1

深松铲的有限元分析

载荷及边界条件施加

根据黑龙江省深松机作业标准（DB23/T836—

Solid453－D实体结构单元。网格划分采用自由网格（free），SMART网格网格形状为8个节点的四面体，

2004），深松作业以破碎犁底层为原则，深松深度范围为300～700mm。一般深度应为350mm。本例深松铲加载荷深度设定为350mm。按照经验数据，此深度下所受载荷约为4100N。

为了模拟深松铲真实工作情况，须对刚体施加约束，限制其自由度。本文中在铲柱的4个螺栓孔及铲限制尖与铲柱相联结的两个螺栓孔处分别施加约束，3个移动自由度以及两个垂直于孔轴线方向的转动自由度。3．2

计算结果分析

在ANSYS程序中对铲柱模型加载计算，分别得出铲柱的变形图（如图7和图8所示）和应力云图（如图9和图10所示）。有限元分析结果如表2所示

。

由图7和图8可知，铲柱的下端，即与铲尖连接处变形较大，梯形铲柱最大变形值为0．3704mm，三角形铲柱最大变形值为0．2476mm；而两种形状铲柱变形量均较小。

图9

Fig．9

梯形铲柱等效应力云图

Misesstresscontourplotofthetrapezoidalsectionshovelcolumn

图7

Fig．7

梯形截面铲柱受力变形图

Displacementcontourplotofthetrapezoidalsectionshovel

column

图10

Fig．10

三角形铲柱等效应力云图

Misesstresscontourplotofthetrianglesectionshovelcolumn

由图9和图10可知，铲柱的上部应力较大，最大应力位置在铲柱与机架相联接的螺栓孔处。梯形铲柱最大应力值为39．32MPa，三角形铲柱最大应力值为34．57MPa。两种铲柱的最大应力和变形值均在允许范围之内，即结构的强度、刚度满足设计要求。比较而言，三角形截面铲柱的强度、刚度更好些。

在ANSYS程序中对铲尖模型加载计算，分别得出

图8

Fig．8

三角形截面铲柱受力变形图

有限元分析结果数据

Displacementcontourplotofthetrianglesectionshovelcolumn

表2Tab．2

零件梯形截面铲柱三角形截面

铲拄铲尖

Finiteelementanalysisresultdata

最大变形/mm0．37040．24760．0660

许用应力/Pa1．41E+081．41E+081．41E+08

铲尖的变形图（如图11所示）以及应力云图（如图12所示）。

由图11可知，深松铲尖最大变形处在铲的尖端部，最大变形值为0．066mm，越接近后部变形越小。由图12可知，铲尖在工作过程中最大应力位置在与铲柱相联接的第1个螺 …… 此处隐藏：3616字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……