覆膜控温移动苗床吊喷管件有限元分析与研究

武汉市农业机械化科学研究所 卢泽民 杜铮

中国长江动力集团有限公司 王敏

覆膜控温移动苗床吊喷管件有限元分析与研究

武汉市农业机械化科学研究所 卢泽民 杜铮

中国长江动力集团有限公司 王敏

覆膜控温移动苗床的吊喷管件，相对于其材料厚度尺寸而言，属于大跨度柔性结构，因此在进行结构设计时，除考虑强度因素外，重点要校核结构的刚度。本文利用ansys有限元分析方法，对移动苗床的吊喷管件进行了静力学分析，研究了受力状态下管件的应力和变形，并通过实测试验对其刚度进行了比较和分析，保证了使用的安全性和可靠性。

吊喷管件；ansys；应力；变形

0 引言

一种覆膜控温移动苗床，是基于移动苗床的温室“小环境”育苗解决方案，即通过移动苗床拱棚装置、加热隔热系统，建立苗床及作物的独立加热保温小环境，实现节能降耗；进一步利用苗床覆膜机自动完成塑料薄膜的覆盖、卷收功能，解放劳动力、提高作业效率。但在封闭“小环境”拱棚装置中进行育苗的同时，由于拱棚结构上端的卷膜和支架遮挡，无法使用温室原有的自动喷灌系统进行降温加湿灌溉；利用人工灌溉进行降温和加湿，用工成本过高、劳动强度过大，且灌溉不均匀。

为了克服现有的技术不足，本文提出了一种覆膜控制移动苗床吊喷灌溉系统。在移动苗床内，即拱棚装置中吊装灌溉专用毛管和微喷雾化喷头。由于灌溉专用毛管采用PE软管，下面摆放穴盘育苗不能加筋固定，故需要管件与PE软管进行连接加固。管件两端固定间距一般为4m，相对于其材料厚度尺寸而言，属于大跨度柔性结构，且管件受到载荷的影响，因此需要分析其强度和刚度，验算使用的安全性和可靠性[1]。

1 吊喷管件的设计

覆膜控温移动苗床主要由覆膜和控温2部分组成，覆膜部分通过管状电机的正反转对双层塑料薄膜进行卷膜和覆膜，控温部分通过电热膜的加热对苗床进行加热。当双层塑料薄膜覆盖在苗床拱状支架时，形成一封闭温室“小环境”，通过电热膜加热保温，可以进行育苗，如图1所示。

移动苗床覆膜部分由一片片支架组装而成，每片支架间隔4m，支架上安装有挡板，PE软管通过挡板横穿移动苗床，在PE软管上安插微喷雾化喷头，形成灌溉专用管网。由于PE软管轻软，间距大，PE软管自重、微喷雾化喷头的重量以及灌溉后管道内充水，会对PE软管受力和变形产生很大的影响，故需要采用管件进行连接加固。管件和PE软管一样，沿支架挡板横穿移动苗床，与软管固定连接，承受微喷雾化喷头的重量、PE软管自重和灌溉后管道内充水重量以及管件自重的载荷。由于管件长度和安装的限制，管件采用和支架等距的间距，4m一段，固定在挡板上，如图2所示。

图1 覆膜控温移动苗床实物图

图2 覆膜控温移动苗床结构示意图

2 吊喷管件的分析与研究

2.1 吊喷管件的选择

由于移动苗床支架结构间距4m，管件安装在支架挡板上，管件也采用4m一段。覆膜控温移动苗床成本低、结构紧凑、拆卸便捷、可靠耐用，美观轻便[2]，符合轻量化设计，故管件厚度不宜太厚，采用1.5mm。同样截面，方管的抗弯扭能力优于圆管，选择方管为宜。方管和PE软管固定连接，PE软管为外径20的圆管，宜采用20的方管。综上所述选择管件的截面尺寸为方管20×20×1.5（mm），长度为4m。

2.2 有限元模型建立

通常，在整个有限元分析求解过程中，最重要的环节是有限元模型的建立。一般包括选择单元类型，根据单元类型选择定义实常数或者截面类型，定义材料属性、几何建模、网格划分、添加约束和载荷[3]等。

管件承受静力结构载荷，选择三维结构梁单元beam189[4]，管件为方管，在梁工具栏中选择方管截面形式，并设计好截面尺寸。管件材料为Q235，从材料手册中查得其弹性模量E=200GPa，泊松比=0.3，材料密度为7800kg/m3。因为吊喷管件结构形式较为简单，一般ansys有限元软件所提供的几何建模工具便能完成。网格划分时，单元的多少影响运算速度和结果精度，针对beam189单元，管件长为4m，控制划分的精度，使用Smartsize进行自由网格划分，模型共划分为201个节点，100个单元，有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

2.3有限元的求解和分析

各种物理场自由度约束，经常定义为零或者非零值，自由度约束为零时表示固定约束，约束为非零时表示该自由度具有一定的强制自由度约束。在结构分析中，结构自由度是指UX、UY、UZ、ROTX、ROTY和ROTZ6个自由度。管件与支架挡板固定，自由度约束为零，在管件两端节点上约束6个自由度，即ALLDOF，如图4所示。

图4 添加约束

对管件施加载荷，承受微喷雾化喷头的重量、PE软管自重和灌溉后管道内充水重量以及管件自重的3部分载荷组成。微喷雾化喷头共5件，相当于集中力载荷加载在管件5点处；PE软管自重和灌溉后管道内充水重量则相当于均布载荷加载在整个管件上；管件自重通过ansys软件中自带的重力 Gravity选项加载设置。荷载加载完成后，如图5所示。

图5 施加载荷

执行求解，在ansys中选择静力学分析static选项，进行静力学分析，经过snsys分析计算[5]，最后，得到管件的等效变形云图和等效应力云图，如图6和7所示。

图6 等效变形云图

图7 等效应力云图

从图6等效变形云图中可以得出，管件在中点处变形最大，最大等效变形为31.4mm，小于设计变形量[]=40m m。从图7等效应力云图中可以得出，管件在两端应力最大，最大等效应力为 126MPa，远小于许用应力[]=235MPa。从图中分析可得，当吊喷管件承受载荷和自重时，管件变形和应力在设计的工作刚度和强度范围内，保证了使用的安全性和可靠性。

3 吊喷管件的变形实测试验

从上述有限云分析结果可得，吊喷管件所受最大应力远小于管件许用应力，且大跨度柔性构件（细长杆）刚度变形影响更大，因此本试验主要实测管件实际工作时的变形效果。本文对覆膜控温移动苗床吊喷管件进行试验地点为武汉市黄陂区农业机械化科学研究所武湖基地连栋温室内，通过实测的数据与有限元数据进行对比，实测数据与有限元数据对照如表1所示。

表1 测试数据与有限元分析数据对照表

经试验，实测数据和有限元分析数据均小于设计变形量，各数据试验最大误差均不超过7%，且实测最大变形都比有限元分析的结果偏小，说明有限元结果偏保守，更安全和可靠。

4 结束语

运用ansys有限元分析方法，对移动苗床的吊喷管件进行了静力学分析，研究了受力状态下管件的应力和变形，并通过实测试验对刚度进行了比较，分析和试验结果表明，吊喷管件强度和刚度能满足使用和设计要求，保证了其安全性和可靠性。

[1]方勇.基于AYSYS的可调吊梁设计[J].机械制造，2014，52(594):36-37.

[2]王锐，廖剑，万勇，宋少云.移动苗床用自动卷覆膜机的设计[J].中国农机化学报，2015，36(1):136-138.

[3]尚晓江，邱峰，赵海峰等.AYSY结构有限元分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

[4]博弈创作室．ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[5]徐浩．基于有限元的大型摩擦焊机主轴箱优化设计[J].机械设计与制造，2013(3):114-116.

2015-09-03）