搜索SolidWorks在秸稈粉碎還田機設計中的應用-CAD培訓
2013-05-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: 張佳喜*王學農*陳發*蔣永新*牛長河 來源: 萬方數據
關鍵字: 三維設計 SolidWorks 秸稈粉碎 還田 回收 運動仿真
隨著計算機輔助設計技術的發展,以SolidWorks為代表三維設計軟件已廣泛應用到農業機械設計中。通過SolidWorks軟件對拋送式棉秸稈粉碎還田機進行虛擬樣機設計,建立整機三維模型,完成結構及尺寸檢查;對動刀輥運動仿真,完成動刀輥動平衡檢驗;對甩刀進行有限元分析,完成甩刀強度校核;為拋送式棉秸稈粉碎還田機的設計提供一些參考
隨著科學技術的不斷進步,計算機的廣泛應用和設計方法的不斷更新,SolidWorks是一套應用在Windows系統下的3D實體模型構建軟件,它的三維設計功能強大,界面友好,能讓使用者以簡單的操作方式進行高效的產品設計。其提供的基于特征選型的參數化造型功能,更是為開發者提供了良好的開發環境。在拋送式棉秸稈粉碎還田機的設計中也可以采用現代設計方法,從而實現快速、高效的設計與改進,計算機仿真已成為現在重要的科研手段,不僅在可行性論證、工程設計和尋求最佳方案等方面發揮著重要作用,而且可以縮短產品的開發周期,提高工作效率。
1整機機構仿真分析
虛擬樣機(Virtual Machine)技術指在制造第一臺物理樣機之前,以機械系統運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心,將產品各零件的設計和分析集成在一起,建立機械系統的數學模型,從而為產品的設計、研究、優化提供基于計算機虛擬現實的研究平臺。因此虛擬樣機亦被稱為數學化功能樣機。
進行產品三維設計的同時,運用分析仿真軟件(CAE)對產品工作性能進行模擬仿真,發現設計缺陷,根據分析仿真結果,運用三維設計軟件對產品設計結構進行修改。重復上述仿真,找錯、修改的過程,不斷對產品社會計結構進行優化,直至達到一定的設計要求。
1.1主要部件模型的建立
在對機具進行運動仿真之前,先進行其零件主模型的建立及整機虛擬裝配。利用機具的結構尺寸建立其主模型。秸稈粉碎還田及回收機采用由框架到零部件的裝配形式。整機的零件較多,為了使裝配緊湊,在組裝前,將某些相對固定配合在一起的零件先組裝成部件。在秸稈粉碎還田及回收機裝配過程中,有機架部件、動刀輥部件、懸掛架部件、限深輪部件、回收送料斗部件、軸承、皮帶輪等小零件。
1.2動態干涉檢查
運動仿真的一個重要的內容就是進行零件之間的干涉檢查,對整體結構及尺寸進行檢查與驗證,使設計趨于合理。為了分析秸稈粉碎還田及回收機主要工作部件動刀輥上甩刀運動軌跡及其與相關部件間的相對位置關系,通過SolidWorks軟件,對甩刀運動進行跟蹤分析,以便對甩刀在實際工作狀態中的運動軌跡進行分析研究。以動刀輥上甩刀為研究對象,對其在工作中的運動狀況進行跟蹤,顯示不同時刻甩刀運動位置的變化。通過分析甩刀在運動過程中的角加速度及角速度的運動曲線,就可以判斷出甩刀與粉碎室間及定刀是否發生了干涉,如果發生干涉可以迅速的查明甩刀和什么機構干涉,并做一調整。
2動刀輥的運動仿真分析
2.1動刀輥的設置
為了研究動刀輥的動平衡問題,設置了一種動刀輥,對其進行運動仿真。由動刀輥的結構可知,由于機具動刀輥兩端軸承與機架相連,刀座固接在動刀輥上,可將其視為一體定義為一個構件。甩刀通過銷軸與刀座相連,并通過連接銷同刀軸一起轉動,故每一組甩刀、鉸鏈及其上連接螺栓可視為一個構件。
2.2設置仿真參數
①創建運動副:運動副用來定義兩構件間的連接方式。由于機具動刀輥兩端軸承與機架相連,刀座固接在動刀輥上,可將其視為一體,且為固定件。該構件通過兩端軸承作勻速轉動,因而,在刀軸兩端分別設置兩個固定的轉動副,甩刀與銷子約束為同軸,有一個轉動副,并在其中一個轉動副的Motion Driver中填入相應的運動規律。該機構為加速一勻速轉動。采用0-2S為步進函數,從0加速到10 800 deg/s,2 S以后為衡速10 800 deg/s。
③阻尼設置:對甩刀與銷子添加旋轉阻尼,可以在運動過程中逐步消耗能量,逐步降低運動的響應,對甩刀與銷軸的相對運動起反力。選擇第一個部件為甩刀,第二個部件為銷軸,選擇位置為甩刀與銷軸的接觸圓弧線,選擇方向為甩刀的側面。通常阻尼系數是剛度的0.1%~1%。現取50N-mm(sec/deg)。
④重力設置:在參數預設置中,默認長度單位為°,時間單位為s,力的單位為N,重力加速度為-9 810 rnrn/s2,方向沿z軸的負方向。
2.3動刀輥動平衡的校核
動刀輥兩端軸承受力結果為,到達1.6 S左右時動刀輥運動平衡,軸端所受力為自身的重力。當動刀輥轉動時,基本上滿足動平衡的要求。
3甩刀的有限元分析
甩刀是棉稈粉碎機具的關鍵部件。由于刀輥做高速轉動n=1800 r/min,并在旋轉過程中切割棉稈,所以甩刀切割作物時受到很大的沖擊載荷。在工作條件下,甩刀的強度、抗沖擊性、疲勞強度以及可靠性方面都有一定的要求。因此,對甩刀進行有限元分析,分析其在工作狀態下應力分布的狀況,是甩刀設計過程不可少的環節之一。
3.1甩刀的有限元計算結果
已知粉碎單株棉稈時所需剪切力的大小為6.5~19.9 MPa,可以將其做為參考。為增大安全性并選取其上限19.9 MPa為甩刀切割單株棉稈所受的力。對甩刀施加約束并在刀刃上施加F=19.9×πrr=l 000 N的載荷(式中r為棉稈半徑),隨后進行求解運算。
在不同工況下,甩刀的應力分布及所受的最大應力。由此,可得當甩刀同時切割兩組棉稈時的甩刀所受應力最大,固選擇該種狀況下甩刀所受得最大應力進行甩刀的強度校核。
4結論
利用SohdWorks軟件對機具進行了運動仿真,對其結構、尺寸進行檢驗與修改。運用SolidWorks中運動學及動力學處理方法,針對機具的機構動平衡,進行了相關分析與校核,以便為機具的設計提供一定的分析方法及驗證手段。
①通過對機具的整機裝配及仿真運動,對整體結構及尺寸進行檢查與驗證,使設計趨于合理。
②以Solidwo&s分析軟件為手段,在理淪分析的基礎上,通過運動學模擬及仿真,對甩刀排列不同的動刀輥進行動平衡測試,測試結果與理論分析基本符合,這有助于為機具的設計與分析提供新的方法。
③對甩刀進行有限元分析,根據實際運動狀態對甩刀進行有限元分析,經驗證甩刀滿足秸稈粉碎使用要求。
此次運動仿真和有限元分析當中,沒有考慮到實際工況中的風阻及物料的對動刀輥的阻力,還有其它因素引起的變形、內應力和強度以及材料的內部缺陷等,所以計算的結果會有一定偏差,因此以上的分析結果和建議僅僅為實際設計和制造提供輔助手段。
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