水稻芽種直播機虛擬樣機設(shè)計與分析

2013-05-14  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)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(shù)據(jù)
關(guān)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(shè)計水稻芽種直播機的虛擬樣機。同時,對其排種器進(jìn)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(shù),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(shù)。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(jié)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(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。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)水稻直播機不適應(yīng)芽種直播,需要設(shè)計一種與農(nóng)藝要求相適應(yīng)的水稻芽種直播機。為了節(jié)省研制成本,縮短研發(fā)周期,通過采用虛擬樣機技術(shù),設(shè)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(guān)鍵部件進(jìn)行運動仿真分析和有限元分析。
   
    1 虛擬樣機及其分析技術(shù)
   
虛擬樣機及其分析技術(shù)是指用計算機完成整個產(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,并在制造物理樣機之前以虛擬原型的形式對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析和仿真,實現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋,及早地發(fā)現(xiàn)和解決問題,減少產(chǎn)品開發(fā)時間和費用。其核心技術(shù)包括三維實體建模技術(shù)和仿真分析技術(shù)。與其相關(guān)的還有計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)、有限元分析(FEA)技術(shù)、驅(qū)動元建模技術(shù)、模型反求技術(shù)、控制系統(tǒng)分析技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)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(jìn)行仿真分析,采用cosmos/work對其主梁進(jìn)行有限元分析。設(shè)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(shè)計
   
    2.1 水稻芽種直播機的設(shè)計方案
    
根據(jù)工作要求,設(shè)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(jīng)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(qū)動整機行走;一路經(jīng)萬向節(jié)聯(lián)軸器、錐齒輪傳動、鏈傳動帶動播種器播種。根據(jù)需要可隨時結(jié)合或分離兩路動力,實現(xiàn)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(shè)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(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立設(shè)計的,模型及零件間的相互關(guān)系較為簡單,設(shè)計時可關(guān)注于單個零件的設(shè)計,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)建立各個構(gòu)成零件。該方法在對整個裝配體進(jìn)行修改時,修改某個特征尺寸,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(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)計的正確性和合理性。
   

    2.3虛擬樣機關(guān)鍵部件的運動仿真
   
    排種器是水稻芽種播種機的關(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)、時間的單位(s)、重力加速度(980N/s²)以及與動畫有關(guān)的楨時間間隔及楨數(shù),再設(shè)定承重筒為原動件,按60r/min勻速轉(zhuǎn)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(rèn)值,運行仿真得到推種桿的運動參數(shù)的變化規(guī)律(如圖4所示)。由圖3分析得推種桿的運動參數(shù)的變化規(guī)律和理論分析一致:當(dāng)承種筒逆時針轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)量均由兩根主梁承擔(dān)。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(jìn)行強度分析。由于整機設(shè)計行走速度僅2m/s,動載荷不大,僅對主梁進(jìn)行靜強度分析。
    
    為了節(jié)省計算所用時間,按400N壓力加載在一根主梁上進(jìn)行分析。直接采用虛擬樣機中主梁的實體模型,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(wǎng)格,對主梁共劃分出52998個網(wǎng)格單元,81 137個節(jié)點。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,小于屈服強度,安全系數(shù)為7.6,強度足夠。
    

    3結(jié)論
   
    1)采用虛擬樣機技術(shù)建立了水稻芽種直播機的虛擬樣機模型,并對裝配體進(jìn)行干涉檢查,發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉,及時修改零部件的結(jié)構(gòu),消除干涉,以節(jié)約研制成本,縮短研制周期。
    2)對關(guān)鍵部件排種器進(jìn)行運動仿真,驗證機構(gòu)運動的可行性以及理論分析結(jié)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(shù)。
    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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