SolidWorks在秸稈粉碎還田機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用-CAD培訓(xùn)

2013-05-13  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

作者: 張佳喜*王學(xué)農(nóng)*陳發(fā)*蔣永新*牛長(zhǎng)河 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 三維設(shè)計(jì) SolidWorks 秸稈粉碎 還田 回收 運(yùn)動(dòng)仿真

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,以SolidWorks為代表三維設(shè)計(jì)軟件已廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中。通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì),建立整機(jī)三維模型,完成結(jié)構(gòu)及尺寸檢查;對(duì)動(dòng)刀輥運(yùn)動(dòng)仿真,完成動(dòng)刀輥動(dòng)平衡檢驗(yàn);對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析,完成甩刀強(qiáng)度校核;為拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)提供一些參考

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法的不斷更新,SolidWorks是一套應(yīng)用在Windows系統(tǒng)下的3D實(shí)體模型構(gòu)建軟件,它的三維設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大,界面友好,能讓使用者以簡(jiǎn)單的操作方式進(jìn)行高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。其提供的基于特征選型的參數(shù)化造型功能,更是為開(kāi)發(fā)者提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)中也可以采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的設(shè)計(jì)與改進(jìn),計(jì)算機(jī)仿真已成為現(xiàn)在重要的科研手段,不僅在可行性論證、工程設(shè)計(jì)和尋求最佳方案等方面發(fā)揮著重要作用,而且可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,提高工作效率。
   
1整機(jī)機(jī)構(gòu)仿真分析
   
虛擬樣機(jī)(Virtual Machine)技術(shù)指在制造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前,以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析和控制理論為核心,將產(chǎn)品各零件的設(shè)計(jì)和分析集成在一起,建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化提供基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺(tái)。因此虛擬樣機(jī)亦被稱(chēng)為數(shù)學(xué)化功能樣機(jī)。
   
進(jìn)行產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)的同時(shí),運(yùn)用分析仿真軟件(CAE)對(duì)產(chǎn)品工作性能進(jìn)行模擬仿真,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,根據(jù)分析仿真結(jié)果,運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。重復(fù)上述仿真,找錯(cuò)、修改的過(guò)程,不斷對(duì)產(chǎn)品社會(huì)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,直至達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求。
   
1.1主要部件模型的建立
   
在對(duì)機(jī)具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真之前,先進(jìn)行其零件主模型的建立及整機(jī)虛擬裝配。利用機(jī)具的結(jié)構(gòu)尺寸建立其主模型。秸稈粉碎還田及回收機(jī)采用由框架到零部件的裝配形式。整機(jī)的零件較多,為了使裝配緊湊,在組裝前,將某些相對(duì)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(jī)裝配過(guò)程中,有機(jī)架部件、動(dòng)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(dòng)態(tài)干涉檢查
   
運(yùn)動(dòng)仿真的一個(gè)重要的內(nèi)容就是進(jìn)行零件之間的干涉檢查,對(duì)整體結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行檢查與驗(yàn)證,使設(shè)計(jì)趨于合理。為了分析秸稈粉碎還田及回收機(jī)主要工作部件動(dòng)刀輥上甩刀運(yùn)動(dòng)軌跡及其與相關(guān)部件間的相對(duì)位置關(guān)系,通過(guò)SolidWorks軟件,對(duì)甩刀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤分析,以便對(duì)甩刀在實(shí)際工作狀態(tài)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析研究。以動(dòng)刀輥上甩刀為研究對(duì)象,對(duì)其在工作中的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行跟蹤,顯示不同時(shí)刻甩刀運(yùn)動(dòng)位置的變化。通過(guò)分析甩刀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的角加速度及角速度的運(yùn)動(dòng)曲線,就可以判斷出甩刀與粉碎室間及定刀是否發(fā)生了干涉,如果發(fā)生干涉可以迅速的查明甩刀和什么機(jī)構(gòu)干涉,并做一調(diào)整。
   
    2動(dòng)刀輥的運(yùn)動(dòng)仿真分析
   

    
    2.1動(dòng)刀輥的設(shè)置
   
為了研究動(dòng)刀輥的動(dòng)平衡問(wèn)題,設(shè)置了一種動(dòng)刀輥,對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。由動(dòng)刀輥的結(jié)構(gòu)可知,由于機(jī)具動(dòng)刀輥兩端軸承與機(jī)架相連,刀座固接在動(dòng)刀輥上,可將其視為一體定義為一個(gè)構(gòu)件。甩刀通過(guò)銷(xiāo)軸與刀座相連,并通過(guò)連接銷(xiāo)同刀軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),故每一組甩刀、鉸鏈及其上連接螺栓可視為一個(gè)構(gòu)件。
    
2.2設(shè)置仿真參數(shù)
   
①創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副:運(yùn)動(dòng)副用來(lái)定義兩構(gòu)件間的連接方式。由于機(jī)具動(dòng)刀輥兩端軸承與機(jī)架相連,刀座固接在動(dòng)刀輥上,可將其視為一體,且為固定件。該構(gòu)件通過(guò)兩端軸承作勻速轉(zhuǎn)動(dòng),因而,在刀軸兩端分別設(shè)置兩個(gè)固定的轉(zhuǎn)動(dòng)副,甩刀與銷(xiāo)子約束為同軸,有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,并在其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的Motion Driver中填入相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該機(jī)構(gòu)為加速一勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。采用0-2S為步進(jìn)函數(shù),從0加速到10 800 deg/s,2 S以后為衡速10 800 deg/s。
   

 ②定義3D碰撞:甩刀與銷(xiāo)子約束為同軸,有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,在COSMOSMotion界面,定義3D碰撞,選擇動(dòng)刀輥為容器,將其余甩刀設(shè)為可與第一個(gè)容器中的動(dòng)刀輥碰撞的零件。
   
③阻尼設(shè)置:對(duì)甩刀與銷(xiāo)子添加旋轉(zhuǎn)阻尼,可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐步消耗能量,逐步降低運(yùn)動(dòng)的響應(yīng),對(duì)甩刀與銷(xiāo)軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起反力。選擇第一個(gè)部件為甩刀,第二個(gè)部件為銷(xiāo)軸,選擇位置為甩刀與銷(xiāo)軸的接觸圓弧線,選擇方向?yàn)樗Φ兜膫?cè)面。通常阻尼系數(shù)是剛度的0.1%~1%?，F(xiàn)取50N-mm(sec/deg)。
④重力設(shè)置:在參數(shù)預(yù)設(shè)置中,默認(rèn)長(zhǎng)度單位為°,時(shí)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(fù)方向。
   
2.3動(dòng)刀輥動(dòng)平衡的校核
   
動(dòng)刀輥兩端軸承受力結(jié)果為,到達(dá)1.6 S左右時(shí)動(dòng)刀輥運(yùn)動(dòng)平衡,軸端所受力為自身的重力。當(dāng)動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),基本上滿足動(dòng)平衡的要求。
   

    3甩刀的有限元分析
   
甩刀是棉稈粉碎機(jī)具的關(guān)鍵部件。由于刀輥?zhàn)龈咚俎D(zhuǎn)動(dòng)n=1800 r/min,并在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切割棉稈,所以甩刀切割作物時(shí)受到很大的沖擊載荷。在工作條件下,甩刀的強(qiáng)度、抗沖擊性、疲勞強(qiáng)度以及可靠性方面都有一定的要求。因此,對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析,分析其在工作狀態(tài)下應(yīng)力分布的狀況,是甩刀設(shè)計(jì)過(guò)程不可少的環(huán)節(jié)之一。
   
3.1甩刀的有限元計(jì)算結(jié)果
   
已知粉碎單株棉稈時(shí)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(duì)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(jìn)行求解運(yùn)算。
   
在不同工況下,甩刀的應(yīng)力分布及所受的最大應(yīng)力。由此,可得當(dāng)甩刀同時(shí)切割兩組棉稈時(shí)的甩刀所受應(yīng)力最大,固選擇該種狀況下甩刀所受得最大應(yīng)力進(jìn)行甩刀的強(qiáng)度校核。
   

    4結(jié)論
   
    利用SohdWorks軟件對(duì)機(jī)具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真,對(duì)其結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)與修改。運(yùn)用SolidWorks中運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)處理方法,針對(duì)機(jī)具的機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡,進(jìn)行了相關(guān)分析與校核,以便為機(jī)具的設(shè)計(jì)提供一定的分析方法及驗(yàn)證手段。
   
①通過(guò)對(duì)機(jī)具的整機(jī)裝配及仿真運(yùn)動(dòng),對(duì)整體結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行檢查與驗(yàn)證,使設(shè)計(jì)趨于合理。
   
    ②以Solidwo&s分析軟件為手段,在理淪分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬及仿真,對(duì)甩刀排列不同的動(dòng)刀輥進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與理論分析基本符合,這有助于為機(jī)具的設(shè)計(jì)與分析提供新的方法。
   
③對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析,根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析,經(jīng)驗(yàn)證甩刀滿足秸稈粉碎使用要求。
   
此次運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析當(dāng)中,沒(méi)有考慮到實(shí)際工況中的風(fēng)阻及物料的對(duì)動(dòng)刀輥的阻力,還有其它因素引起的變形、內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度以及材料的內(nèi)部缺陷等,所以計(jì)算的結(jié)果會(huì)有一定偏差,因此以上的分析結(jié)果和建議僅僅為實(shí)際設(shè)計(jì)和制造提供輔助手段。

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