残膜回收机挑膜弹齿的有限元分析

木塔力甫·艾力　张佳

摘要：目前，以分析、优化设计和仿真为目的的虚拟样机技术VPT在不同领域广泛应用。分析残膜回收关键零部件的有限元，采用建模的方法计算弹齿的应力、位移及应变，校核挑膜弹齿的强度，确定弹齿能够满足工作需求。

关键词：挑膜弹齿；有限元分析；VPT；强度校核

中图分类号：S220.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0039-03

目前，以分析、优化设计和仿真为目的的虚拟样机技术VPT（virtual prototyping technology）在不同领域广泛应用。在农业机械领域中，通过虚拟样机技术对机器进行三维建模，可以不断的进行结构修改和方案调整，使机器达到结构和机械性能最优，无需象传统设计一样多次制造不同方案样机，降低机器的开发成本以及缩短机器的开发时间。

1 挑膜弹齿有限元分析

1.1 导入挑膜机构三维模型

打开SolidWorks软件，单击Simulation图标，新建算例，导入的挑膜机构装配体模型如图1所示。挑膜弹齿为均匀安装在挑膜滚筒上，每个弹齿所受载荷近似相等，在此只对其中一个弹齿进行有限元分析。

1.2 定义挑膜弹齿的材料属性

在使用Simulation对挑膜弹齿进行有限元分析时，定义材料属性有很多种方式。常用零件的材料可以直接在SolidWorks软件材料库中选取，SolidWorks软件自带材料库中没有的材料，可以使用Centor库中的材料，还可以通过自定义添加新的材料属性。如图2所示，挑膜弹齿的材料选用55SiMnVB，它是一种弹性好、疲劳强度很高的材料，其力学性能参数如下：弹性模量E=196 GPa；泊松比μ=0.3；密度为ρ=

7 860 kg/m3；σb=735 MPa；τ=440 MPa。

1.3 定义分析方法

在Simulation有限元分析类型下提供的分析方法有静态、优化、频率、非线性、扭曲、疲劳等。挑膜机构有限元分析方法选用“静态”。

对挑膜弹齿施加载荷和约束。在定义弹齿边界条件时，为了让弹齿的底端不发生位移变化，将挑膜弹齿的底端固定，挑膜弹齿相当于悬臂梁结构，限制弹齿底端部沿基本坐标系的移动约束TX=TY=TZ=0，绕基本坐标系的转动约束RX=RY=RZ=0；已知弹齿的入土深度为5 cm，将载荷施加到挑膜弹齿齿尖5 cm范围内。挑膜弹齿入土时受到垂直向下的阻力Fy，水平方向受到土壤阻力F土和摩擦力F1，则土壤阻力的计算公式为： F土=Kw×A。式中：Kw为弹齿受到的载荷系数，与作业机前进速度、弹齿结构参数和土壤性质等有关，一般为4.9～9.8 N/cm2，在计算载荷时通常选取最大值9.8 N/cm2；A为所受载荷的作用面积，cm2。

经计算可得：F土=29.4 N；Fy=150～500 N，这里取300 N；F1=f×Fy=tan15×300=80.4（N）。

f为土壤与合金钢的摩擦系数，一般为tan15～tan40，故挑膜弹齿受到水平方向的牵引阻力为：Fx=

F土+F1=29.4+80.4=109.8（N）。所以挑膜弹齿受到的合作用力为F合==319.4（N）。加载到弹齿齿尖的载荷选取400 N，均匀加载到弹齿齿尖5 cm范围内。

1.4 对挑膜弹齿进行网格划分

使用Simulation软件进行有限元分析时，系统自动为模型进行网格划分。如果对计算结果的精度有较高要求或者需要网格划分一些特殊曲面模型，可以手动定义网格划分；如果要求计算精度很高，就需要将零部件网格划分的较细，但计算速度随之降低。在对挑膜弹齿的有限元分析中，网格划分精度为2 mm，误差范围为5%，即0.1 mm。设置网格属性为“网格品质高”，采用“光滑表面”的网格控制，解算器采用“FFEplus”，并使用：“惯性卸除”。网格属性设置后，在Simulation资源管理器下单击网格生成，开始对模型进行网格划分。

1.5 运行分析

从Simulation资源管理器下选择运行，显示运算进度，模型的节点数、自由度数目，运算所用时间等信息。在静态运行完成后，Simulation会在资源管理器下生成应力（Stress）、位移（Displacement）、应变（Stain）、变形（Deformation）、设计检查（Design check）等结果模板，通过这些结果模板可查看分析结果。

2 有限元结果分析

2.1 应力结果分析

在Simulation资源管理器下，点击应力（Stress）模板边上的加号，可看到挑膜弹齿的应力图（如图3所示）。最大应力发生在弹齿底端，为6.424e+008 N/m2。

应力结果还可以以列表形式输出，从列表中显示，最大应力发生在弹齿齿尖处，数值为6.424e+008 N/m2；而最小应力数值为1.096e+005 N/m2。为了让设计者更好的理解应力作用下的模型变形情况，使用了1倍的变形比例。本设计的屈服应力为1.225+e009 N/m2。

2.2 位移结果分析

挑膜弹齿的位移分析如图4所示。与应力图中相似，图例中从蓝色到红色位移逐渐增加，也使用了与应力同样的变形比例。从图4中可看出，模型最大位移在挑膜弹齿的齿尖上，位移值为1.843e+001 mm；最小位移值则在弹齿末端，数值为1.000e-030 mm。

2.3 应变和变形结果分析

如图5所示，如果使用节数值来观察对等应变时，应变云图与应力云图相似，只是在右边的图例数值上有所不同。变形结果分析图与位移结果分析图相比，没有用色彩来表示图例，仅有放大比例后的模型的变形图。

2.4 设计检查结果分析

在对挑膜弹齿进行有限元分析后，根据所选的失效标准对挑膜弹齿进行安全校核。在图6中，最大安全系数在挑膜弹齿的齿尖上，数值为1.117e+004，最小安全系数在弹齿末端处，数值为1.91。最小安全系数为3，使用的校核准则为第四强度理论。

进行强度校核时，准则下可选的校核标准有最大正应力（第一强度理论）、Mohr-coulomb应力（莫尔强度理论）、最大抗剪应力Tresca（第三强度理论）和最大von Mises应力（第四强度理论）。选用最大von Mises应力（第四强度理论）准则进行校核，应力单位N/m2，安全系数为3。

弹齿使用的校核准则是第四强度理论。第四强度理论标准是基于最大形状改变比能的理论，认为无论怎样的应力状态，只要形状改变比能达到与零件材料性质相关的极限值，零件就会发生屈服。根据主应力σ1，σ2，σ3，屈服准则表达式如下：

σVon Mises= （1）

则第四强度理论的强度条件为：≤[σ]，其中[σ]为零件材料的许用应力。

在许多情况下，屈服应力被用作应力极限σlimit，则安全系数FOS=σlimit/σVonMises，故安全系数FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以满足要求。

3 结论

通过对残膜回收机挑膜弹齿进行有限元分析，能够计算机器关键零部件在工作中受到的最大应力、最大位移以及最大应变值，具有节省材料、减少机具制造成本、大大缩减机器开发时间的作用。基于计算机虚拟样机技术的应用和研究，是现代机械设计中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高质量设计与开发的保证。

参考文献

[1] 赵海军.残膜捡拾滚筒的运动学和动力学研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2005.

[2] 鲁亚云.气吹式秋后残膜回收机设计及分析研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2005.

[3] 王茂成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.

[4] 张德云，李亚雄.4FS-2型残膜联合回收机的改进设计[J].农牧与食品机械，1994 （4）：23-25.

[5] 张木林，王纬.1MS-800塑料残膜回收机[J].农牧与食品机械，1992，60 （2）：7-11.

在对挑膜弹齿进行有限元分析后，根据所选的失效标准对挑膜弹齿进行安全校核。在图6中，最大安全系数在挑膜弹齿的齿尖上，数值为1.117e+004，最小安全系数在弹齿末端处，数值为1.91。最小安全系数为3，使用的校核准则为第四强度理论。

进行强度校核时，准则下可选的校核标准有最大正应力（第一强度理论）、Mohr-coulomb应力（莫尔强度理论）、最大抗剪应力Tresca（第三强度理论）和最大von Mises应力（第四强度理论）。选用最大von Mises应力（第四强度理论）准则进行校核，应力单位N/m2，安全系数为3。

弹齿使用的校核准则是第四强度理论。第四强度理论标准是基于最大形状改变比能的理论，认为无论怎样的应力状态，只要形状改变比能达到与零件材料性质相关的极限值，零件就会发生屈服。根据主应力σ1，σ2，σ3，屈服准则表达式如下：

σVon Mises= （1）

则第四强度理论的强度条件为：≤[σ]，其中[σ]为零件材料的许用应力。

在许多情况下，屈服应力被用作应力极限σlimit，则安全系数FOS=σlimit/σVonMises，故安全系数FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以满足要求。

3 结论

通过对残膜回收机挑膜弹齿进行有限元分析，能够计算机器关键零部件在工作中受到的最大应力、最大位移以及最大应变值，具有节省材料、减少机具制造成本、大大缩减机器开发时间的作用。基于计算机虚拟样机技术的应用和研究，是现代机械设计中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高质量设计与开发的保证。

参考文献

[1] 赵海军.残膜捡拾滚筒的运动学和动力学研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2005.

[2] 鲁亚云.气吹式秋后残膜回收机设计及分析研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2005.

[3] 王茂成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.

[4] 张德云，李亚雄.4FS-2型残膜联合回收机的改进设计[J].农牧与食品机械，1994 （4）：23-25.

[5] 张木林，王纬.1MS-800塑料残膜回收机[J].农牧与食品机械，1992，60 （2）：7-11.

在对挑膜弹齿进行有限元分析后，根据所选的失效标准对挑膜弹齿进行安全校核。在图6中，最大安全系数在挑膜弹齿的齿尖上，数值为1.117e+004，最小安全系数在弹齿末端处，数值为1.91。最小安全系数为3，使用的校核准则为第四强度理论。

进行强度校核时，准则下可选的校核标准有最大正应力（第一强度理论）、Mohr-coulomb应力（莫尔强度理论）、最大抗剪应力Tresca（第三强度理论）和最大von Mises应力（第四强度理论）。选用最大von Mises应力（第四强度理论）准则进行校核，应力单位N/m2，安全系数为3。

弹齿使用的校核准则是第四强度理论。第四强度理论标准是基于最大形状改变比能的理论，认为无论怎样的应力状态，只要形状改变比能达到与零件材料性质相关的极限值，零件就会发生屈服。根据主应力σ1，σ2，σ3，屈服准则表达式如下：

σVon Mises= （1）

则第四强度理论的强度条件为：≤[σ]，其中[σ]为零件材料的许用应力。

在许多情况下，屈服应力被用作应力极限σlimit，则安全系数FOS=σlimit/σVonMises，故安全系数FOS=1.225+e009/6.424e+008=1.906，可以满足要求。

3 结论

通过对残膜回收机挑膜弹齿进行有限元分析，能够计算机器关键零部件在工作中受到的最大应力、最大位移以及最大应变值，具有节省材料、减少机具制造成本、大大缩减机器开发时间的作用。基于计算机虚拟样机技术的应用和研究，是现代机械设计中最普遍、最高效的方法之一，也是高水平、高质量设计与开发的保证。

参考文献

[1] 赵海军.残膜捡拾滚筒的运动学和动力学研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2005.

[2] 鲁亚云.气吹式秋后残膜回收机设计及分析研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2005.

[3] 王茂成，邵敏.有限元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社，1997.

[4] 张德云，李亚雄.4FS-2型残膜联合回收机的改进设计[J].农牧与食品机械，1994 （4）：23-25.

[5] 张木林，王纬.1MS-800塑料残膜回收机[J].农牧与食品机械，1992，60 （2）：7-11.