山地烤烟拔杆机刀具有限元分析及试验

罗建钦，刘祖国，吴 峰，张大斌，卢 泽，余朝静

(1.广西中烟工业有限责任公司 广西 南宁 530001；2.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳，550025)



山地烤烟拔杆机刀具有限元分析及试验

罗建钦1，刘祖国2，吴 峰1，张大斌2，卢 泽2，余朝静2

(1.广西中烟工业有限责任公司 广西 南宁 530001；2.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳，550025)

为了获得具有高效、优良拔杆刀的设计方案,以小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀为研究对象，在UG(Unigraphics)中创建拔杆刀具的三维模型，根据Design Explorer模块中的对物体静力分析的理论，对拔杆刀进行设计优化。通过Design Explorer后处理的敏感性和输入参数的响应来确定优化方案，以达到降低刀具所受应力。分析的响应曲面结果表明：将刀的厚度和长度分别改为490 mm和7.3 mm，可使刀所受到的力降低10%，且田间试验证明效率提高了5%～8%。

山地烤烟拔杆机；刀具；优化；有限元模态分析

小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀是拔杆机的关键零部件，一般要求其刀具具有较好的静、动态性能和较强的刚度。近年来，不少学者都热衷于利用有限元来分析和改进结构[1-2]，如权龙哲等[3]利用有限元理论建立了玉米根茬在切割过程中的动力学仿真模型，得到了最优滑切角和物料摩擦角间的函数关系式；张松等[4]利用参数有限元法分析了刀具的力学性能，提高了产品的设计质量，降低了设计周期；施昱等[5]利用ANSYS 中的优化设计模型(Design Explorer)对刀具进行了优化设计，降低了刀具在工作过程所受的应力。本文基于前人的设计理念，应用ANSYS优化设计模块，对小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀进行了优化设计。分析了刀具的厚度、大小，并以此作为优化设计的依据，计算出刀的外形尺寸，根据灵敏度和响应曲面来确定设计方案，得到了一个高效率的拔杆刀具。

1 小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀的优化设计

Design Exploration(优化设计)是ANSYS Workbench中的一个快速优化工具，它主要是通过设计点，即可以增加设计点的参数，得到不同的输出和导出参数[6]，由于实验时需要设计的点是有限的，这里选取有限个点，通过拟合函数做成响应曲面 ( 或响应曲线)，优化的结果有以下的几种主要形式：(1)目标驱动优(Goal-Driven-Optimization)，这种优化是一种多目标优化技术，它可从得到的有限点中选取较优的点来进行设计，其一系列的设计目标都可用于优化设计。(2) 相关参数优化(Parameter Correlation)，它主要是获取输入参数的敏感性图，本文可通过参数优化得到某一个输入参数相对应的曲面，由此可以知道这一参数的影响究竟是大还是小。(3) 响应曲面优化(Response Surface)，从中可以直观的观察到输入参数对整体的影响，利用图表形式可以动态显示输入与输出参数之间的函数关系式。(4) (Six Sigma)六希格玛设计，这一模块主要是用来评估产品可靠性的概率，根据6个标准误差理论，可以分析材料属性、几何尺寸、载荷等不确定性输入变量的概率分布对产品性能的影响，包括应力变形等的影响。

2 刀具模型的建立

2.1 拔杆刀建模

小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀分为3个部分：中轴、外链接盘、刀，它们都是通过焊接的形式接在一起的。刀架的总长度为550 mm，刀与刀之间的距离为495 mm，整个刀架的高度为480 mm，外链接盘的厚度为5 mm，刀的厚度为6 mm，在工作过程中，刀刃与作物的接触角度为90度。整个刀具采用的材料都是AISI类型A2刀具刚，其材料参数见表1。本文利用UG三维绘图在将其转换为x-t的格式导入ANSYS Geometry(有限元几何模型)进行优化设计分析，如图1所示。

图1 刀架示意图

材料属性属性值密度p(kg/m3)7860弹性模量E(Pa)2.03e+011泊松比0.285

2.2 建立刀具的有限元模型

在进行优化之前，首先建立一个有限元模型，将画好的几何模型导入到Mechanical APDL模块中，导入后选取单位为mm，材料的参数为弹性模量是2.03e+011，泊松比是0.285，密度为7860 kg/m3。其次，需要对网格进行划分，这里采用的是ANSYS Workbench里自动生成网格，通过检查网格质量良好,如图2所示。

图2 刀的有限元模型

2.3 刀具的静态应力分析

首先根据刀在实际工作中的工况来设置刀的载荷和约束条件，此刀在工作过程中时与作物的接触是90度，且是刀的中间部位与之接触，在工作过程中的动力来源于轴向的旋转传动，所以，刀在工作时有一个向x轴的速度和一个沿轴向的旋转速度。由于力的作用是相互的，由图1知，当机架开始转动时，刀具在工作时所受的载荷主要集中在刀刃上，而刀的两端是固定不动的，所以，分析时我们可以在刀的两端添加固定约束，在刀的刀刃上添加载荷约束，如图3中A表示固定约束，B表示载荷约束。

图3 载荷与约束

根据上述的操作，在Solution中添加Total deformation(总变形量)和Equivalent Elastic Strain(等效弹性应变)的应力，然后在点击SOLVE进行求解操作，分别得到了不同效果云图，如图4所示。

(a)Total deformation(总变形量)

(b)Equivalent Elastic Strain(等效弹性应变)

由刀的静态应力分析可知，当刀在进行拔杆作业时，刀的应力集中在刀具的中间部位，且刀还有一个沿轴向的旋切力，这个旋切力和整机的前进速度有关，所以在定义设计参数时，选取刀的厚度，宽度和长度为参数进行设置。

3 刀具参数的优化设计

Design Exploration(优化设计)是ANSYS Workbench具有快速优化的功能，且可以进行多目标优化[7]，在Design Exploration(优化设计)中通常把待优化的点拟合为函数表达式。考虑到Design Exploration(优化设计)设计中输入的设计点是有限的，这里利用插值拟合成响应曲面或者是线性模拟仿真[8]。

优化的过程可以表示为：参数建模——设置材料属性——进行有限元分析——形状优化设计——定义参数——优化求解，进行工作参数优化设计[9]。

在设置参数时，定义了刀的长度以及刀的应力，如表2所示。

表2 参数变化表

因为刀具在工作过程中对不同植株所受到力不一样，会随着不断的变化，从表2中我们可以看出在刀的长度为49.5时刀的应变最小。

通过Response Surface(响应面)可以得到相关数据的敏感性结果，如图5所示。

图5 相关参数的敏感性图

由图4可知，输入参数对输出参数的影响是各不相同的，从图5中可以看出，刀的宽度参数与厚度参数的关系，其敏感度都是大于零的，说明输入与输出成正比。从响应曲面图中可以直观的得到，P1、P2、P3是呈线性变化的，其中P1、P2与P3都是成正比关系。从以上的分析可知，在进行优化设计时将P1、P2和P3设定为优化目标[10]，同时，为了使刀在工作时所受的应力变化最小，刀具的长度应该满足其条件，所以要考虑到优化目标的重要性，由图5、图6及表2可知，本文优化的重要目标是刀具的厚度和长度。

图6 P1、P2、P3的响应曲面

对刀进行优化时，在Design Exploration(优化设计)中会默认产生A、B、C三组候选的优化设计点，通过对比，得到A组的点为最优设计点，最大应力36 Pa，且刀的长度和所受到的力均减小，所以将A组作为目标驱动优化比较合理，得到的分析结果如表3所示。

表3 参数优化前后对比数据

4 拔杆机田间试验

烟杆根系与土壤是一个混合体，而且整个根体深入土壤，在根系的土壤相对其他部位密度较大，不同粗细的烟杆其根系发达程度不同，烟杆越粗，根系越发达。本试验分别对不同粗细的烟杆采用不同长度、厚度的拔杆刀来进行田间试验，利用正交试验法，分析刀厚为6 mm和7.3 mm时刀所受应力的变化。通过在刀具的刀刃后安装应力传感器，可得到相应的数据，如表4和表5所示。

表4 刀厚为6 mm时不同长度所受应力(Pa)表

表5 刀厚为7.3 mm时不同长度所受应力(Pa)表

由表4和表5可知，得出的数据与ANSYS优化的结果相似，由于在田间试验过程中不同地方土壤的疏松程度不同，所以田间试验的结果与优化的结果的相差不大。又功效公式为：

式中W为拔杆过程中的所做的功的多少；F1表示牵引力；F2表示在拔杆时所受到外界的载荷，这里主要指刀对杆的力。

利用上述公式及其数据计算得：当刀厚为7.3 mm，且刀长度为490 mm时，工作的效率平均提高了5%～8%。

5 结论

(1)由Design Exploration优化设计实验表明，利用三维建模，在导入ANSYS中进行动力学模型仿真，能够客观地描述出刀在拔杆过程中受力的应变图像，可以为优化小型山地烤烟拔杆机的拔杆刀提供理论依据。通过优化前后的对比实验可知，优化后能大大提高刀具的稳定性。

(2)基于ANSYS中的Design Exploration对刀进行优化设计，有效地缩短了优化设计的时间，将模型导入到ANSYS就可以快捷地得到优化结果，节省了在实际设计时的大量计算，结果也比较准确。

(3)为了更好地表现出刀在作业时的变化规律，便于进行理论上的分析，在建模过程中，对一些比较复杂的力学运动简化为理想的假设，这可能会对结果的精度有一定的影响，可以通过实践结果对该刀具进行完善。

(4)通过田间试验，进一步的验证了ANSYS优化结果的可行性，由田间试验得到的结果与Design Exploration(优化设计)分析结果相同，即当刀的厚度和长度分别为490 mm和7.3 mm时工作效率较高。

[1] 高建民，桑正中.斜置旋耕刀侧切刃曲线的理论研究[J].农业机械学报，2001,32(2):24-26.

[2] Jia H, Ma C, Li G, et al. Combined rototilling-stubble-breaking-planting machine[J].Soil and Tillage Research, 2007,96(1): 73-82.

[3] 权龙哲，佟金，曾百功，等.玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计[J].农业工程学报，2011,27(12):13-16.

[4] 张松,艾兴,赵军.高速主轴/刀具联结的参数化有限元法优化设计[J].机械工程学报，2004,40(2):83-86.

[5] 施昱，孟宾宾，傅菁菁.基于ANSYS Workbench的钢格板剪床刀具优化设计[J].制造业自动化，2013,35(12):32-34.

[6] 冯楚胜.六西格玛理论与实施 [J]. 舰船科学技术,2007,29(3):140-142.

[7] 查太东,杨萍.基于Ansys Workbench的固定支架优化设计[J].煤矿机械,2012,33(2):28-30.

[8] 夏萍，印松，陈黎卿，等.收获机械往复式切割器切割图的数值模拟与仿真[J].农业机械学报，2007,38(3):65-68.

[9] 翟力欣,姬长英,丁启朔，等.犁体结构参数与工作参数优化设计 [J].农业机械学报,2013,44(8):57-61.

[10] 姚道仕,杨建国,吕志军.基于ANSYS Workbench的货架立柱截面优化设计[J].东华大学学报(自然科学版), 2011,37(4):438-441.

(责任编辑：熊文涛)

2016-08-24

贵州大学研究生创新基地项目(CXJD[2015]003)；广西中烟工业有限责任公司科技项目(1212014015)

罗建钦(1971- )，男，广西恭城人，广西中烟工业有限责任公司经济师。

刘祖国(1992- )，男,贵州铜仁人，贵州大学机械工程学院硕士研究生。

S22

A

2095-4824(2016)06-0102-04