多层苗床立体架有限元分析与研究

武汉市农业机械化科学研究所 卢泽民 王锐 杜铮 廖剑 舒虹杰 秦彩

多层苗床立体架有限元分析与研究

武汉市农业机械化科学研究所 卢泽民 王锐 杜铮 廖剑 舒虹杰 秦彩

多层苗床立体架属于大跨度框架结构，承受载荷后，会发生变形，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solidworks建立多层苗床立体架三维设计图，并直接应用solidworks软件中的solidworks/simulation插件模块对立体架进行了静力学分析，研究了工作状态下多层苗床立体架的应力和变形，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。

多层苗床；立体架；solidworks/simulation；应力；变形

0 引言

我国设施农业发展迅速，规模化育苗起着重要作用。目前，固定苗床和移动苗床是育苗的主要载体，其育苗层面只有一层，温室空间利用率偏低，单位空间育苗面积少，育苗产出率不高等问题，严重制约着育苗产业乃至设施农业的发展。

为了克服现有的技术不足，本文设计了一种温室育苗多层苗床。多层苗床立体架由多个跨度单元连接而成，每个跨度距离为4 m，是承受载荷的主体，相对于其材料厚度尺寸而言，立体架构件属于大跨度柔性结构，且易其受到重载的影响，因此需要分析其强度和刚度，验算使用的安全性和可靠性，为设计提供重要的依据[1]。

1 多层苗床结构设计

多层苗床由抽屉式床面和立体架两大部分组成。抽屉式床面由苗床边框结构组成，苗床边框为专用铝合金型材，托网为热镀锌钢丝，支架为热镀锌型钢，苗床最大承载50 kg/m2。立体架由立柱、横梁、纵梁、加强筋、连接板等组成3层框架结构，纵向立柱间隔4 m为一个跨度单元，每层结构纵梁间安装有滑道，便于抽屉式床面能两边移动一定距离（即抽出的距离），立体架主要承受抽屉式床面及其承载物的重力载荷。如图1和图2为一个两跨度的多层苗床和立体架三维图。

图1 多层苗床三维图

图2 多层苗床立体架三维

2 多层苗床立体架的分析与研究

2.1 立体架的结构设计

立体架立柱采用30×30×2(mm)的矩形方管，长度为1500 mm，由于立体架一个跨度间距为4 000 mm，属于大跨度尺寸，纵梁采用50×30×2(mm)的矩形方管，同时为了减少大跨度刚度变形，纵梁截面方向沿抗弯矩方向与立柱放置连接，如图3所示。横梁也采用50×30×2（mm）的矩形方管，立柱底部加强筋采用30×30×2（mm）矩形方管。

图3 纵梁截面连接放置剖面图

2.2 立体架有限元模型建立

基于solidworks的有限元分析求解过程中，在solidworks环境下进行建模，利用solidwork的插件工具solidworks/simulation进行有限元分析，能够有效实现三维软件与分析计算软件之间的数据共享和自动转换。在生成的集合模型上直接定义材料属性、划分网格、添加约束和载荷并进行求解[2]等。

（1）建立三维模型，多层苗床立体架可由多跨组成，分析过程中，为了减少建模和分析计算时间，本文以一跨立体架为研究对象；同时，对模型进行合理的简化处理，忽略一些局部特征[3]，得到三维简化模型如图4所示。

图4 三维简化模型

（2）定义立体架的材料属性，立体架材料为普通碳钢，从材料手册中查得其弹性模量E=200 GPa，泊松比=0.3，材料密度为7 800 kg/m3，屈服强度为=220 MPa。

（3）定义边界条件，在有限元静力分析过程中，必须采用足够的约束稳定模型，在本文中，立柱与地面固定，自由度约束为零，选择立柱底部的4个面，对底部进行固定约束，如图5所示。

图5 添加约束

（4）添加载荷，对立体架施加载荷，立体架滑道内承受苗床边框重量、育苗重量和苗床边框盛水后的重量3部分载荷组成。每层苗床滑道4个区域承受载荷，相当于集中力载荷加载在此处，根据计算可得，每层承受4 000 N竖直载荷，如图6所示。

图6 施加载荷

（5）对立体架进行划分网格，网格划分时，单元的多少影响运算速度和结果精度。本文对立体架进行实体网格划分[4]，采用高品质网格单元，单元大小为30 mm，节点数为127 879个，单元总数为68 645个。立体架网格划分模型如图7所示。

图7 网格划分模型

2.3 有限元的求解和分析

通过建模、定义边界、施加载荷以及划分网格后，在solidworks/simulation中选择运行选项，进行静力学分析，经过solidworks/simulation分析计算[5]，最后得到立体架的等效变形云图和等效应力云图，如图8和图9所示。

图8 等效变形云图

图9 等效应力云图

从图7等效变形云图中可以得出，最上层纵梁在中点处变形最大，最大等效变形为13.7 mm，小于设计变形量[V]=20 mm。从图8等效应力云图中可以得出，立柱与最上层纵梁连接处应力最大，最大等效应力为180 MPa，小于许用应力[]=220 MPa。从图中分析可得，当立体架承受载荷时，立体架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 多层苗床立体架的变形实测试验

从上述有限云分析结果图9可得，立体架所受最大等效应力小于其许用应力220 MPa，满足强度要求。但大跨度柔性构件纵梁刚度变形较大，因此需要实测6根纵梁实际工作时的变形效果。本文对多层苗床立体架纵梁进行试验地点为武汉市农业科学技术研究院农业机械化科学研究所武湖基地试验工厂内，纵梁从上而下，从里到外进行实测编号，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比较接近，各数据试验最大误差均不超过6%。最上层的纵梁变形最大，最下层的纵梁变形最小，这是由于立柱30×30×2（mm）矩形方管长度达1 500（mm），在立体架中属于杆件结构，离地面越高，受力后越容易失稳变形，从而使得连接处的纵梁变形也越大；相反，最下层离地面最低，并且有加强筋的保护，受力后连接处的纵梁变形相对小些。

4 结束语

运用solidworks/simulation有限元分析方法，对多层苗床的立体架件进行了静力学分析，研究了受力状态下立体架的应力和变形，并通过实测试验对刚度进行了比较，分析和试验结果表明，立体架构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，同时也为后期进行优化设计与改进提供了参考依据。

[1]卢泽民，杜铮，王敏.覆膜控温移动苗床吊喷管件有限元分析与研究[J].湖北农机化，2015，(5):62-63.

[2]北京兆迪科技有限公司.SolidWorks2014实用案例大全[M].北京:电子工业出版社，2014.

[3]邓顺贤，王晨，张国海.数控蜗杆磨床砂轮主轴刚度和强度分析[J].精密制造与自动化，2014，(2):30-31.

[4]王海军，殷国富，何波等．基于SolidWorksSimulation的球磨机转轴有限元分析[J].计算机应用技术，2014，41(1): 44-47.

[5]何庆中，王明超，赵献丹．基于SolidworksSimulation码垛机械手末端执行器导杆静力学分析[J].四川工学院学报，2011,24(1):109-112.

2010-07-10）