基于ANSYS的绿叶蔬菜自动化漂浮栽培系统部件静力学分析

管天源 申允德 缪熠楠 董旭华 顾佳飞 郑道放

摘 要：全自动的机械化移栽技术能够提高工作效率、降低人工劳动强度、提高蔬菜产量、缩短生育期，是蔬菜移栽机械发展的必然趋势。目前，我国虽已研制有半自动化的蔬菜移栽机械，但受人工喂苗作业速度和强度以及生产劳动力短缺的限制，效率一直无法提高。本文根据对大棚蔬菜种植的技术特点和农艺要求的研究，设计了一套结构合理，性能可靠，作业效率高的全自动化育苗移栽机。首先利用Pro/E进行三维建模和结构设计；然后利用ANSYS对关键部件进行静力学分析；接着将移栽机模型导入ADAMS产生虚拟样机，进行运动学、动力学仿真及参数优化设计；本文主要讨论关键部件的静力学分析。

关键词：机械；ANSYS静力学分析；自动化

中图分类号：TP23 文献标志码：B

上个世纪以来，人们解决了粮食短缺等温饱问题，但随着物质生活水平的不断提高，人们对食物及其营养的追求更加精益求精。由于蔬菜中含有人类每天必须摄入的各种营养元素，所以蔬菜的供应需求不断加大。目前我国蔬菜的种植仍然处于田间播种为主，但是在部分发达地区，采用育苗栽植等作物方式的规模正在不断扩大，农作物种植方式的机械化、自动化技术研究成为国家重点研究领域。

移栽技术和直播相比，虽然有着费工费时的缺陷，但是其所带来的优势却前所未有。移栽可以有效的避开冬天的低温、雪霜的冻结等气候影响，大大提高幼苗的成活率。另外，还能延长蔬菜的生长周期、改善作物的品質，使作物的产量和质量均得到显著地提高。

上个世纪20年代初期，欧美和日本等发达国家和地区就开始着手研制简易的移栽机械，当时主要应用在蔬菜等经济作物的种植领域，后期发展成为大部分粮食作物诸如水稻、玉米的移栽机器。

1 气缸滑块与导杆的静力结构分析

1.1 导入模型与划分网格

气缸滑块的材料为不锈钢3Cr13，导杆的材料为铝合金。不锈钢 材料的弹性模量 ，泊松比 ，密度为。铝合金材料的弹性模量E=71.7GPA，泊松比u=0.33，密度为 2.81g/cm3。将Pro/E建立好的气缸滑块与导杆的三维模型导入到ANSYS中，进行网格划分。结合其结构的特点，仍然采用自动网格划分方法，通过几何模型来自动选择合适的网格划分方法。

1.2 添加载荷与约束

无杆气缸在运行时，滑块处于固定状态，气缸上下运动，主要承受机械手结构的自重。如图1所示，将滑块的两个侧面施加约束，在气缸的端面添加载荷，F=200N。

1.3 分析结果及强度校核

上述可知无杆气缸的滑块的材料为铝合金，根据材料性质可知，其屈服极限为 。根据实际情况，取安全系数为n=2，计算许用应力 。其设计满足强度要求。如图2所示为气缸滑块与导杆模型的应变分布云图，图中最大应变为2.0835 mm。

2 小结

本章主要通过有限元分析软件ANSYS Workbench对育苗移栽机的关键零部件无杆气缸进行线性静力结构分析。其承受载荷较大，危险性最强。静力分析的流程是：

（1）导入模型和网格划分；

（2）添加约束和载荷；

（3）结构分析和强度校核。

经过ANSYS Workbench的有限元分析，结果显示各个零件的强度均符合设计要求。

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