水稻芽種直播機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與分析

2013-05-14  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

作者: 楊文敏*謝方平*王林力*吳明亮*孫松林 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 水稻直播機(jī) 虛擬樣機(jī) 運(yùn)動(dòng)仿真 有限元分析 SolidWorks

為了降低研制成本?？s短研制周期,采用Solidworks設(shè)計(jì)水稻芽種直播機(jī)的虛擬樣機(jī)。同時(shí),對(duì)其排種器進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的可行性和合理性,得出推種桿推種端的運(yùn)動(dòng)參數(shù),為下一步對(duì)芽種的充種和投種過程的仿真分析取得初始參數(shù)。對(duì)主梁的有限元靜強(qiáng)度分析表明,采用兩根ф32×2.5的無(wú)縫鋼管做主梁強(qiáng)度足夠,危險(xiǎn)部位在主梁前端下部處。分析結(jié)果可為物理樣機(jī)制造提供參考。

0 引言
   
水稻芽種直播機(jī)省去了傳統(tǒng)的落谷、拔秧、移栽3道環(huán)節(jié),減少了常規(guī)栽培的育秧、拔秧和插秧等繁重工作。芽種采用精密直播,節(jié)約良種,減少或省去間苗工時(shí)。因此,水稻芽種直播是一種省工、節(jié)本、高效的栽培技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,傳統(tǒng)水稻直播機(jī)不適應(yīng)芽種直播,需要設(shè)計(jì)一種與農(nóng)藝要求相適應(yīng)的水稻芽種直播機(jī)。為了節(jié)省研制成本,縮短研發(fā)周期,通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于偏心頂桿式排種器的水稻芽種播種機(jī)的虛擬樣機(jī),并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析和有限元分析。
   
    1 虛擬樣機(jī)及其分析技術(shù)
   
虛擬樣機(jī)及其分析技術(shù)是指用計(jì)算機(jī)完成整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程。它以數(shù)字化的形式虛擬地、可視化地、并行地開發(fā)產(chǎn)品,并在制造物理樣機(jī)之前以虛擬原型的形式對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析和仿真,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的早期反饋,及早地發(fā)現(xiàn)和解決問題,減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。其核心技術(shù)包括三維實(shí)體建模技術(shù)和仿真分析技術(shù)。與其相關(guān)的還有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)、有限元分析(FEA)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)元建模技術(shù)、模型反求技術(shù)、控制系統(tǒng)分析技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)H。
   
實(shí)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(jī)實(shí)體模型,用cosmos/motion對(duì)排種器的工作過程進(jìn)行仿真分析,采用cosmos/work對(duì)其主梁進(jìn)行有限元分析。設(shè)計(jì)和分析過程如圖l所示。
   

    2水稻芽種直播機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)
   
    2.1 水稻芽種直播機(jī)的設(shè)計(jì)方案
    
根據(jù)工作要求,設(shè)計(jì)的水稻芽種播種機(jī)主要由柴油機(jī)、操縱裝置、傳動(dòng)裝置、播種部件、行走部件機(jī)架等部分組成(如圖2所示)。柴油機(jī)的動(dòng)力經(jīng)帶傳動(dòng)傳給齒輪減速器,減速后動(dòng)力分為兩路:一路傳給地輪驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走;一路經(jīng)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器、錐齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)帶動(dòng)播種器播種。根據(jù)需要可隨時(shí)結(jié)合或分離兩路動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)整機(jī)行走、停運(yùn)以及排種器的播種運(yùn)動(dòng)。
   

2.2水稻芽種直播機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)
   
建立虛擬樣機(jī)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(gè)零件的實(shí)體模型,然后在裝配環(huán)境下采用配合技術(shù)將各零件組裝成裝配體。采用這種方法建立的零件均是獨(dú)立設(shè)計(jì)的,模型及零件間的相互關(guān)系較為簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)時(shí)可關(guān)注于單個(gè)零件的設(shè)計(jì),而不必建立控制零件大小和尺寸的參考關(guān)系。而自上而下的設(shè)計(jì)方法即在裝配環(huán)境下根據(jù)現(xiàn)存零件的特征和尺寸關(guān)聯(lián)建立各個(gè)構(gòu)成零件。該方法在對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行修改時(shí),修改某個(gè)特征尺寸,其關(guān)聯(lián)零件的特征尺寸相應(yīng)發(fā)生改變,便于部件或整機(jī)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(jī)的虛擬樣機(jī)模型,在建立軸系部件和排種器的實(shí)體模型時(shí)采用了自上而下的方法。
   
    建立的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。整機(jī)由87種共793個(gè)零件組成。在各部件和整機(jī)裝配好后,均通過軟件自帶的干涉檢查功能,進(jìn)行干涉檢查,發(fā)現(xiàn)各零件間結(jié)構(gòu)上的干涉,隨即修改零件的結(jié)構(gòu)尺寸,消除干涉。以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。
   

    2.3虛擬樣機(jī)關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)仿真
   
    排種器是水稻芽種播種機(jī)的關(guān)鍵部件,主要由進(jìn)料斗、種量調(diào)節(jié)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(jù)文獻(xiàn)[7]的分析得知,型孔深度入隨承種筒轉(zhuǎn)角θ的變化規(guī)律為

    型孔中芽種的絕對(duì)速度v為
    

    在cosmos/motion仿真環(huán)境下,先設(shè)置與仿真有關(guān)的基本參數(shù),如力的單位(N)、時(shí)間的單位(s)、重力加速度(980N/s²)以及與動(dòng)畫有關(guān)的楨時(shí)間間隔及楨數(shù),再設(shè)定承重筒為原動(dòng)件,按60r/min勻速轉(zhuǎn)動(dòng),選擇積分器類型(GSTIFF)、最大迭代步長(zhǎng)(25)、精度(0.01),其它選項(xiàng)取默認(rèn)值,運(yùn)行仿真得到推種桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律(如圖4所示)。由圖3分析得推種桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律和理論分析一致:當(dāng)承種筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到θ=159.5°時(shí)型孔中的芽種剛好全部排出,此時(shí)芽種的絕對(duì)速度為0.3 14m/s,加速度為0.451 m/s2。

 2.4關(guān)鍵零件的有限元分析
   
    虛擬樣機(jī)采用乘坐式,操作者的體重和座椅本身質(zhì)量均由兩根主梁承擔(dān)。兩根主粱均擬用Φ32×2.5的無(wú)縫鋼管折彎而成,筆者用有限元法對(duì)它進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于整機(jī)設(shè)計(jì)行走速度僅2m/s,動(dòng)載荷不大,僅對(duì)主梁進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。
    
    為了節(jié)省計(jì)算所用時(shí)間,按400N壓力加載在一根主梁上進(jìn)行分析。直接采用虛擬樣機(jī)中主梁的實(shí)體模型,材料取普通碳鋼,主要性能參數(shù)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(qiáng)度盯,=2.21×10⁸N/m²,抗拉強(qiáng)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(shí)體單元網(wǎng)格,對(duì)主梁共劃分出52998個(gè)網(wǎng)格單元,81 137個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用FFEPlus解算,可得到主梁應(yīng)力、應(yīng)變、變形、位移等的云圖和分析報(bào)告。主梁的應(yīng)力分布云圖,如圖5所示。由圖5可見,最大工作應(yīng)力發(fā)生在主梁前端得下部(65.325,-7.529,-14.118)處,最大工作應(yīng)力為2.916×10⁷ N/m²,小于屈服強(qiáng)度,安全系數(shù)為7.6,強(qiáng)度足夠。
    

    3結(jié)論
   
    1)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了水稻芽種直播機(jī)的虛擬樣機(jī)模型,并對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查,發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉,及時(shí)修改零部件的結(jié)構(gòu),消除干涉,以節(jié)約研制成本,縮短研制周期。
    2)對(duì)關(guān)鍵部件排種器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性以及理論分析結(jié)果的正確性,為下一步對(duì)芽種的充種和排種過程的仿真分析提供了初始參數(shù)。
    3)對(duì)主梁的靜強(qiáng)度有限元分析表明:主梁的強(qiáng)度足夠,危險(xiǎn)部位在主梁前端的下部。試制物理樣機(jī)時(shí)可在該處用加強(qiáng)筋加強(qiáng)。

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