張子軍，邱沛韓，鐘朝鷙

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州　510630）

基于Inventor的生姜挖掘鏟有限元分析

張子軍，邱沛韓，鐘朝鷙

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州510630）

為降低生姜收獲損失率高現(xiàn)象，以生姜收獲機(jī)挖掘鏟為研究對(duì)象，利用Inventor自帶的三維建模模塊建立生姜收獲機(jī)挖掘鏟部件模塊，并使用有限元分析模塊對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，并與田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)，進(jìn)而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的挖掘鏟合理性。

Inventor，有限元，三維建模

0　引言

南方生姜收獲主要以人工收獲及少量機(jī)械化收獲為主，現(xiàn)有的機(jī)械化收獲多是借助馬鈴薯或花生收獲機(jī)兼收為主，專業(yè)的生姜收獲機(jī)品種少，但現(xiàn)有的挖掘鏟對(duì)生姜塊莖損傷率較高。生姜收獲作業(yè)中土壤板結(jié)嚴(yán)重，機(jī)械工作阻力大，工作條件復(fù)雜惡劣等諸多因素，要求挖掘鏟既要有較高的強(qiáng)度和碎土能力，也要具備減少阻力和避免擁堵的疏排能力。挖掘鏟結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)具的作業(yè)性能。因此可根據(jù)生姜種植的農(nóng)藝特點(diǎn)，利用AutoDesk Inventor 2015三維實(shí)體造型模塊建立挖掘鏟的三維模型，并利用附帶的有限元分析模塊對(duì)其進(jìn)行分析，以獲得應(yīng)力分析、安全系數(shù)和變形位移指標(biāo)，設(shè)計(jì)出合理的挖掘鏟。

1　生姜挖掘鏟的結(jié)構(gòu)與工作原理

生姜挖掘鏟主要由左右兩鏟刀和疏導(dǎo)柵條組成，如圖1所示。挖掘鏟通過(guò)螺栓固定到拖拉機(jī)液壓升降臂上，工作時(shí)液壓升降臂放下，隨著拖拉機(jī)前進(jìn)，牽引著挖掘鏟切斷壟土壤底層，將生姜掘起，同時(shí)土塊沿著鏟的疏導(dǎo)柵條滑行分離并進(jìn)一步破碎，從而分離生姜和土塊。

圖1　生姜挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖Figure.1 The structure of shovel of ginger harvester

2　建立生姜挖掘鏟模型

Inventor是一款面向機(jī)械設(shè)計(jì)的CAD三維軟件，用于創(chuàng)建三維模型和二維制造工程圖。與同類型軟件相比，Inventor具有操作用戶界面簡(jiǎn)單、三維運(yùn)算速度快以及著色功能齊全的特點(diǎn)。其有限元分析模塊能夠通過(guò)零件載荷分析，得出變形量、安全系數(shù)以及應(yīng)力分布［1］。創(chuàng)建挖掘鏟有限元模型前，先創(chuàng)建三維實(shí)體模型，根據(jù)鏟的使用和性能要求，對(duì)挖掘鏟進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。由于挖掘鏟最終整體是焊接成型，而Inventor 2015能夠進(jìn)行焊接體的有限元分析，所以在建模過(guò)程中將挖掘鏟作為一個(gè)焊接部件進(jìn)行建模，使用焊接件模塊進(jìn)行分析。生姜挖掘鏟部件如圖2所示。

圖2　生姜挖掘鏟焊接部件圖Figure.2 Welding part of shovel of ginger harvester

2.1選擇鏟刀材料

選擇挖掘鏟的材料必須在確保性能的前提下減輕質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省成本。本挖掘鏟鏟刀選用65Mn彈簧鋼，它有彈性好耐磨損等優(yōu)點(diǎn)；鏟刀厚度為5mm的65Mn彈簧鋼，其材料屬性如表1。

2.2Inventor中65Mn彈簧鋼材料的設(shè)定

Inventor應(yīng)力分析模塊中，分析對(duì)象的材料只能在軟件自帶的材料庫(kù)中進(jìn)行選擇［3］。由于材料庫(kù)中僅有常用的幾種材料，沒有65Mn彈簧鋼材料，故只能把材料力學(xué)性能相近的材料修改為65Mn材料。由Inventor提供的應(yīng)力分析僅適用于線性材料特性。在這種線性材料中，應(yīng)力和材料中的應(yīng)變成正比例，即材料不會(huì)永久性地屈服［4］。為確保分析結(jié)果的可靠性，本文作如下假設(shè)：挖掘鏟材料為各向同性的線性材料，與挖掘鏟結(jié)構(gòu)尺寸相比，挖掘鏟變形量很小。本文選擇對(duì)Inventor材料庫(kù)中的普通碳鋼物理參數(shù)進(jìn)行修改，調(diào)整為65Mn鋼物理特性參數(shù)，見圖3。

圖3　65Mn鋼特性設(shè)置Figure.3 The physical characteristics of 65Mn Steel

2.3挖掘鏟受力分析

2.3.1施加載荷

生姜收獲機(jī)配套的拖拉機(jī)的功率為5.88 kW，工作行駛速度為1.2 km/h。挖掘鏟所受的力主要是土壤中隨著前進(jìn)方向所受矢量力，理想狀態(tài)下受力為均布載荷，如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，載荷的單方向最大值為3 200 N。

2.3.2約束固定

表1　65Mn彈簧鋼的材料屬性

挖掘鏟實(shí)際是靠螺栓固定在拖拉機(jī)液壓升降臂上的。本文在挖掘鏟模塊中設(shè)定為固定于側(cè)邊，近似地模擬約束條件，如圖5所示（注：圖示中紅色變亮部分為加約束表面）。

圖4　載荷分布圖Figure.4 The map of the stress distribution

圖5　固定約束圖Figure.5 The map of constraining force

2.4挖掘鏟網(wǎng)格劃分

Inventor 2015有限元分析設(shè)置中一般平均元素大小默認(rèn)值為0.100，可根據(jù)需要對(duì)網(wǎng)格平均元素進(jìn)行劃分。根據(jù)需要的結(jié)果精度，確定合適的網(wǎng)格劃分精度。數(shù)值越小網(wǎng)格精度越高，分析結(jié)果越精確。本文設(shè)置為默認(rèn)值0.100精度網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6　網(wǎng)格劃分圖Figure.6 Finite element gridding model of shovel

2.5分析求解

按照Inventor有限元分析模塊的要求，完成所有的前期設(shè)置后，點(diǎn)擊分析求解。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)模型所受應(yīng)力大小，網(wǎng)格的疏密、約束條件以及設(shè)定的材料物理特性，進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

2.6結(jié)果分析

Inventor 2015的有限元分析以圖表的形式輸出，提供了等效應(yīng)力、第一最大應(yīng)力、第三最小應(yīng)力、變形、安全系數(shù)等報(bào)告，本文選取了典型的等效應(yīng)力和位移及安全系數(shù)的表達(dá)圖，計(jì)算結(jié)果見圖7-9。

圖7　等效應(yīng)力圖Figure.7 The map ofequivalent stress

圖8　變形位移圖Figure.8 The map of deformation

圖9　安全系數(shù)圖Figure.9 The map of factor safety

3　結(jié)論

利用Inventor 2015的有限元應(yīng)力分析模塊，對(duì)生姜挖掘鏟模型進(jìn)行分析后得到的分析結(jié)果較合理。從挖掘鏟總體應(yīng)力分布圖可以看出，等效應(yīng)力主要分布在挖掘鏟中間的突起部位以及柵條末端，應(yīng)力分析所得數(shù)據(jù)最大等效應(yīng)力729.5 MPa低于材料特性值785 MPa；變形分析最大位移量0.423mm，且出現(xiàn)在柵條末端，數(shù)值很小幾乎可忽略；安全系數(shù)為15 UL較高。分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)生姜挖掘試驗(yàn)結(jié)果如表2。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的生姜挖掘鏟能滿足設(shè)計(jì)要求，該鏟具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，挖掘效果好，能有效解決生姜收獲作業(yè)中損失率高、土壤板結(jié)、工作阻力大和工作條件復(fù)雜惡劣的因素。利用Inventor 2015附帶的有限元分析模塊對(duì)相關(guān)的部件進(jìn)行靜力學(xué)分析能大大提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)獲得較好技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)工作具有指導(dǎo)意義。

表2　分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)生姜挖掘試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental performance results of shovel

［1］陳伯雄，董仁揚(yáng)，張?jiān)骑w.AutoDesk Inventor Professional 2008機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院.彈簧鋼GB/T 1222-2007［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］李現(xiàn)友，段偉.Inventor有限元分析模塊的實(shí)例應(yīng)用［J］.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，10（4）：20-22.

［4］胡仁喜，康士延，劉昌麗，等 AutoDesk Inventor Professional 2010中文版從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：379.

Finite Element Analysis of Digging Shovel of Ginger Harvester Based on Inventor

Zhang Zijun，Qiu Peihan，Zhong Chaozhi
（Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment，Guangzhou 510630，China）

To reduce the high losses rate of the ginger harvest，research the digging shovel in ginger harvester，we have found the component of digging shovel in ginger harvest by the three-dimensional module of the inventor，We has carried on the analysis of stress and strain by the finite element analysis module of the inventor，comparing the results with the actual data，check the design rationality of digging shove.

Inventor，the finite element，three-dimension model

支持項(xiàng)目：華南特色經(jīng)濟(jì)作物收獲機(jī)械中試能力提升（農(nóng)業(yè)廳粵財(cái)農(nóng)【2012】626號(hào)）；南方水稻和經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械化收獲創(chuàng)新能力（科技廳粵科規(guī)財(cái)字【2015】17號(hào)）

張子軍（1977—），男，漢族，廣東廉江人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榉N植機(jī)械研發(fā)與設(shè)計(jì)。E-mail：rogerzzj@163.com