鸭嘴式打穴器强度有限元分析

黎铸言， 何国旗

（湖南工业大学机械工程学院， 湖南株洲 412007）

0 引言

据统计，2019 年我国农业人口占全国总人口的39.40%。可以看出我国农业人口仍然占有很大的比重。2019 年我国农作物机械化收割率达到68%[1-2]。 当前我国农业机械化已经达到可观的水平， 但还不及欧美等发达国家。 通过提高某种农用机械的适用程度，十分有利于提高农业机械化。 在新冠疫情情况下提高农业机械化的重要性就更加明显。

现市面上常见的利用穴拨轮的铲式打穴器， 打穴器在投种点位置的土壤上形成穴孔代替传统的播种开沟作业，然后由播种装置将种子投入到所形成的穴孔。 但成穴装置在土壤上成穴过程中， 易因土壤堵塞和粘土过多而影响成穴。 且在满足不同作物所需要的不同株距时，铲式打穴器做出的调整过于繁琐， 未满足种植业的需求[3]。连杆式打穴器不仅可以更便利的调整打穴器出、入土的的角度，保证移栽物的直立；还可以通过移栽机构调节杆和移栽机构和驱动系统的传动比更便捷的调整移栽株距；且鸭嘴开合式的打穴器解决了穴播的堵塞问题。

1 打穴器的设计

鸭嘴式打穴器结构见图1，由拉线、弹簧、打穴器、开合器等组成[4]。 ；开合器的打开由弹簧和拉线共同控制，打穴器在弹簧的作用下处于关闭状态， 拉线收缩使打穴器张开， 其张开角度与拉线的收缩量成正比。

图1 鸭嘴式打穴器结构示意图

2 有限元分析

2.1 几何模型

本文运用Creo 三维建模软件对鸭嘴打穴器进行三维建模，见图2。 应用软件对鸭嘴打穴器的各个零件进行建模和装配。

图2 打穴器三维数字化模型

为了便于在Hypermesh 中获得更优质的网格，在Abaqus 有限元分析软件中得到更精确的仿真结果， 对鸭嘴打穴器做适当的简化， 忽略了一部分不影响计算精度的细节特征，如工艺孔和倒角等，如图3 所示。

图3 打穴器简化结构模型

2.2 网格划分

将鸭嘴打穴器的三维实体模型导入有限元分析软件Hypermesh 中，根据实体特征对其进行切割处理，提高最终的网格质量。 本次建模采用三维单元，最终得到的四面体单元数为：19027 个，节点数为：6449 个，具体网格模型见图4。

图4 打穴器网格模型

2.3 仿真

打穴器在栽植过程中的受力主要来自土壤对打穴器的阻力， 测得的最高硬度值为土壤对打穴器末端的阻力P1=1.30MPa[5]。 已知打穴器各面与水平面法线的夹角为12.5°， 通过计算得到侧面的压力P2=P1×sin12.5=0.28MPa。

在Abaqus 中打开从Hypermesh 中导出的.inp 网格文件， 通过Abaqus 对打穴器侧面和末端施加相应的压强和集中力， 对打穴器进行静载荷运算。

得出最大静载荷情况下的应力分布云图和应变分布云图，见图5、图6。 由此可知最大应力出现在打穴器移栽片与上半部分刚体连接处的两侧，最大应力为17.44MPa。最大应变为3.35×10-5，与最大应力的位置相同。

图5 打穴器应力云图

图6 打穴器应变云图

2.4 仿真结果

根据第二强度理论： 认为最大伸长线应变是引起断裂主要因素，即最大伸长长线应变ε1达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生断裂。本文对打穴器的静态强度校核，根据第二强度理论，得出断裂准则：

其中，E—弹性模量； [σ]—材料许用应力；S—安全系数。

考虑到打穴器的工作环境， 打穴器采用的材料为304 奥氏体不锈钢， 具有强度较高， 耐腐蚀性好等优点，常温下的许用应力为137MPa，从分析结果发现打穴器最大应力为17.44MPa，远小于最大许用应力；弹性模量为206GPa 安全系数为1.7， 则允许最大应变为ε1=3.9×10-4，打穴器最大应变为3.35×10-5，远小于最大许用应变。

3 结论

利用Creo 软件建立鸭嘴式打穴器三维模型，Hypermesh 绘制网格并使用有限元分析软件Abaqus 进行强度分析。 分析结果表明： 工作环境中最大应力值为17.44MPa；最大应变值为3.35×10-5；且都发生在打穴器鸭嘴移栽片与上半部分刚体连接处的两侧， 远低于材料的屈服应力和屈服应变，满足强度设计要求。