水稻芽種直播機虛擬樣機設計與分析

2013-05-14  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 楊文敏*謝方平*王林力*吳明亮*孫松林 來源: 萬方數據
關鍵字: 水稻直播機 虛擬樣機 運動仿真 有限元分析 SolidWorks

為了降低研制成本。縮短研制周期,采用Solidworks設計水稻芽種直播機的虛擬樣機。同時,對其排種器進行仿真分析,驗證運動的可行性和合理性,得出推種桿推種端的運動參數,為下一步對芽種的充種和投種過程的仿真分析取得初始參數。對主梁的有限元靜強度分析表明,采用兩根ф32×2.5的無縫鋼管做主梁強度足夠,危險部位在主梁前端下部處。分析結果可為物理樣機制造提供參考。

0 引言
   
水稻芽種直播機省去了傳統的落谷、拔秧、移栽3道環節,減少了常規栽培的育秧、拔秧和插秧等繁重工作。芽種采用精密直播,節約良種,減少或省去間苗工時。因此,水稻芽種直播是一種省工、節本、高效的栽培技術,具有廣闊的應用前景。目前,傳統水稻直播機不適應芽種直播,需要設計一種與農藝要求相適應的水稻芽種直播機。為了節省研制成本,縮短研發周期,通過采用虛擬樣機技術,設計了一種基于偏心頂桿式排種器的水稻芽種播種機的虛擬樣機,并對其關鍵部件進行運動仿真分析和有限元分析。
   
    1 虛擬樣機及其分析技術
   
虛擬樣機及其分析技術是指用計算機完成整個產品的開發過程。它以數字化的形式虛擬地、可視化地、并行地開發產品,并在制造物理樣機之前以虛擬原型的形式對產品的結構和性能進行分析和仿真,實現設計過程的早期反饋,及早地發現和解決問題,減少產品開發時間和費用。其核心技術包括三維實體建模技術和仿真分析技術。與其相關的還有計算機輔助設計(CAD)技術、有限元分析(FEA)技術、驅動元建模技術、模型反求技術、控制系統分析技術和優化設計技術H。
   
實體建模的工具軟件很多。筆者采用Solidworks2005建立的水稻芽種直播機實體模型,用cosmos/motion對排種器的工作過程進行仿真分析,采用cosmos/work對其主梁進行有限元分析。設計和分析過程如圖l所示。
   

    2水稻芽種直播機的虛擬樣機設計
   
    2.1 水稻芽種直播機的設計方案
    
根據工作要求,設計的水稻芽種播種機主要由柴油機、操縱裝置、傳動裝置、播種部件、行走部件機架等部分組成(如圖2所示)。柴油機的動力經帶傳動傳給齒輪減速器,減速后動力分為兩路:一路傳給地輪驅動整機行走;一路經萬向節聯軸器、錐齒輪傳動、鏈傳動帶動播種器播種。根據需要可隨時結合或分離兩路動力,實現整機行走、停運以及排種器的播種運動。
   

2.2水稻芽種直播機的虛擬樣機設計
   
建立虛擬樣機模型的方法有自下而上和自上而下兩種方法。自下而上就是先建立各個零件的實體模型,然后在裝配環境下采用配合技術將各零件組裝成裝配體。采用這種方法建立的零件均是獨立設計的,模型及零件間的相互關系較為簡單,設計時可關注于單個零件的設計,而不必建立控制零件大小和尺寸的參考關系。而自上而下的設計方法即在裝配環境下根據現存零件的特征和尺寸關聯建立各個構成零件。該方法在對整個裝配體進行修改時,修改某個特征尺寸,其關聯零件的特征尺寸相應發生改變,便于部件或整機的系列化以及方案的修改。筆者以自下而上的方法為主建立水稻芽種直播機的虛擬樣機模型,在建立軸系部件和排種器的實體模型時采用了自上而下的方法。
   
    建立的虛擬樣機模型如圖3所示。整機由87種共793個零件組成。在各部件和整機裝配好后,均通過軟件自帶的干涉檢查功能,進行干涉檢查,發現各零件間結構上的干涉,隨即修改零件的結構尺寸,消除干涉。以保證結構設計的正確性和合理性。
   

    2.3虛擬樣機關鍵部件的運動仿真
   
    排種器是水稻芽種播種機的關鍵部件,主要由進料斗、種量調節板、清種毛刷、承種筒、推種桿、偏心連桿、偏心軸和外殼等組成。根據文獻[7]的分析得知,型孔深度入隨承種筒轉角θ的變化規律為

    型孔中芽種的絕對速度v為
    

    在cosmos/motion仿真環境下,先設置與仿真有關的基本參數,如力的單位(N)、時間的單位(s)、重力加速度(980N/s²)以及與動畫有關的楨時間間隔及楨數,再設定承重筒為原動件,按60r/min勻速轉動,選擇積分器類型(GSTIFF)、最大迭代步長(25)、精度(0.01),其它選項取默認值,運行仿真得到推種桿的運動參數的變化規律(如圖4所示)。由圖3分析得推種桿的運動參數的變化規律和理論分析一致:當承種筒逆時針轉動到θ=159.5°時型孔中的芽種剛好全部排出,此時芽種的絕對速度為0.3 14m/s,加速度為0.451 m/s2。

 2.4關鍵零件的有限元分析
   
    虛擬樣機采用乘坐式,操作者的體重和座椅本身質量均由兩根主梁承擔。兩根主粱均擬用Φ32×2.5的無縫鋼管折彎而成,筆者用有限元法對它進行強度分析。由于整機設計行走速度僅2m/s,動載荷不大,僅對主梁進行靜強度分析。
    
    為了節省計算所用時間,按400N壓力加載在一根主梁上進行分析。直接采用虛擬樣機中主梁的實體模型,材料取普通碳鋼,主要性能參數的取值分別為:彈性模量E=2.1×10¹¹ N/m²,泊松比A=0.28,抗剪模量G=7.9×10¹⁰ N/m²,屈服強度盯,=2.21×10⁸N/m²,抗拉強度σs=3.99×10⁸N/m2,密度P=7800kg/m³。將主梁兩端添加固定約束,在中間水平位置施加垂直向下的壓力400N。選用SOLDl64實體單元網格,對主梁共劃分出52998個網格單元,81 137個節點。采用FFEPlus解算,可得到主梁應力、應變、變形、位移等的云圖和分析報告。主梁的應力分布云圖,如圖5所示。由圖5可見,最大工作應力發生在主梁前端得下部(65.325,-7.529,-14.118)處,最大工作應力為2.916×10⁷ N/m²,小于屈服強度,安全系數為7.6,強度足夠。
    

    3結論
   
    1)采用虛擬樣機技術建立了水稻芽種直播機的虛擬樣機模型,并對裝配體進行干涉檢查,發現零部件間的干涉,及時修改零部件的結構,消除干涉,以節約研制成本,縮短研制周期。
    2)對關鍵部件排種器進行運動仿真,驗證機構運動的可行性以及理論分析結果的正確性,為下一步對芽種的充種和排種過程的仿真分析提供了初始參數。
    3)對主梁的靜強度有限元分析表明:主梁的強度足夠,危險部位在主梁前端的下部。試制物理樣機時可在該處用加強筋加強。

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