基于ANSYS的犁架设计仿真试验分析*
时间：2023-02-19 21:50:05 来源：千叶帆 本文已影响人
赵树龙，郑 炫，杨怀君
（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；
2.新疆农垦科学院机械装备研究所）
翻转犁是新疆地区主要的土壤翻耕农具。由于新疆土质含水率低，土壤坚硬，翻垡时阻力很大，犁架作为翻转犁力传递的重要承载部件，其上安装着多铧犁体、限深轮和悬挂架等，也是重要的受力部件，其强度设计要求非常重要。
（1）犁架要便于犁体安装及调节耕作幅宽。（2）犁架强度要满足在拖拉机的牵引下，耕作正常，翻转时的扭转不会对犁架产生破坏。（3）在犁耕作业时，犁架不会产生共振而破坏。
犁架结构如图1所示，其上布有多个螺栓孔，方便犁体以及限深轮的安装及调节，在犁架后端焊接连接盘，方便在拖拉机动力充足的情况下可以再加装尾铧。其基本参数如表1所示。
表1 犁架基本参数
图1 犁架结构图
运用ANSYS对结构静力学、结构动力学进行模拟分析，首先使用SOLID WORKS绘制犁架的三维模型，由图2所示，将模型导入到ANSYS Workbench中，材质选择45号钢。
图2 犁架三维模型
3.1 犁架的网格划分
网格的划分对分析结果以及分析速度有着直接的影响。由于犁架的三维模型结构相对简单，采用自动四方体网格划分法，就可以满足犁架的分析要求。将网格大小设置为10 mm，其余选项默认设置。
3.2 边界条件与载荷设定
犁架上的力主要是悬挂架的牵引力以及犁体在土壤中受到的力传递到犁架上，在此仿真中将模型简化，犁架与悬挂架连接的一头设置为固定端，犁体在土壤中耕作时受的力由前苏联学者高略契金[1-3]提出犁体耕作阻力主要由摩擦阻力、静态阻力以及动态阻力组成，表达公式如下：
其中，μ—犁侧板与沟壁间的摩擦系数（0.3～0.5），G—犁体重量（kg），K—犁耕比阻系数（0.2～0.7），ε—动态阻力系数（250～400 Ns2/m2），a，b，v—耕深，耕宽，耕速。
将翻转犁参数，耕深及耕速以及各阻力系数选择最大和最小求出阻力范围得P=36 251～73 640 N。因为土壤情况的复杂，犁体在工作时不能保持阻力不变，在计算时要将各个情况都综合考虑。将最大的阻力仿真查看犁架的强度情况。
3.3 仿真结果分析
将由最大阻力静力学分析结果的3个分析云图（图3）可以看出，犁架最大值变形量为16.9 mm，弹性应变为0.001 6 mm，等效应力为243.78 MPa，45 号钢的屈服强度为355 MPa。由此可见，在犁体最大阻力下翻转犁的犁梁是安全的。综合结果可知，在犁体耕作阻力最大的情况下翻转犁犁架的最大应力值小于45号钢的屈服强度极限值，因此翻转犁犁架符合设计要求[4]。
图3 最大阻力静力学分析结果
犁架的模态分析沿用静力学结构分析的网格划分及最大工况载荷，如图4所示。
图4 模态分析图
将受力载荷添加至犁架，计算得到犁架的6阶模态振型图，各阶频率值如表2所示。犁架随着频率的上升，其总体变形量是下降的，并且可以看出第一阶变形量最大，通过犁架1阶和2阶模态云图可以看出犁架在195.29 Hz和198.63 Hz时变形主要集中在犁架尾端，也是犁架最容易产生变形的地方最大变形量分别为7.04 mm 和6.09 mm；
通过3阶至6阶的模态云图可以发现，随着震动频率的增加其变形量在减小，主要变形为犁架自身产生的扭曲变形。当外部产生的震动频率不超过1阶固有频率的75%时，就不会引起共振产生变形。在拖拉机前进速度为10 km/h耕深为300 mm时其工作时所产生的频率远小于1 阶固有频率，因此当机具在工作时犁架不会产生共振，不会产生变形，共振特性满足工作要求[5]。
表2 犁架6阶模态频率
本文设计的犁架通过ANSYS仿真分析，在静力学结构及动力学结构分析结果发现犁架的设计强度完全满足翻转犁的使用强度。在犁体耕作时产生的最大和最小耕作阻力对犁架的影响都在犁架材料强度的范围内。该犁架的分析可为翻转犁的工作稳定性及可靠性设计提供参考。
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