【正文】 18 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 第 3章 樣機的仿真分析 本章根據(jù)第二章設(shè)計出的樣機結(jié)構(gòu)利用 Solidworks 的 Cosmotion 插件進(jìn)行機 構(gòu)的運動仿真和使用 ANSYS Workbench 對機身結(jié)構(gòu)做靜力和動力仿真來驗證設(shè) 計是否合理，并在此基礎(chǔ)上做優(yōu)化改進(jìn)。 切削刀架結(jié)構(gòu)的仿真分析 本文采用大彈簧作為切削刀架是為了利用彈簧尺寸容易彈性變形的優(yōu)點，但 是刀架又需要一定的剛度作為結(jié)構(gòu)的支撐，過 大的彈性變形將使刀架在切削過程 中出現(xiàn)問題。于是對切削刀架的結(jié)構(gòu)做仿真分析來確定結(jié)構(gòu)的尺寸和需要添加的 支撐點變的很有必要。 對此結(jié)構(gòu)采用的分析軟件為 ANSYS Workbench，分析類型為靜力分析。 有限元靜力分析理論基礎(chǔ) 有限元靜力分析過程一般分以下幾步 [31]： 第一步，按虛功原理建立單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移函數(shù)關(guān)系，即 {F}e [K]e{ }e （ 31） 其中： {F}e 為單元節(jié)點列陣， [K]e 為單元剛度矩陣， { }e 為單元節(jié)點位 移陣； 第二步，按靜力等效原則把 每個單元所受的載荷向節(jié)點移置，并求和，從而 得到結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點載荷列陣 {F}e ； 第三步，根據(jù)每一個節(jié)點相關(guān)單元的結(jié)構(gòu)總剛度矩陣 [K ]，建立整體結(jié)構(gòu)的 平衡方程： {F} [K]{ } （ 32） 該平衡方程式是一個非齊次線性方程組，方程的總個數(shù)等于結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)。 在引入結(jié)構(gòu)的約束信息，消除了結(jié)構(gòu)的剛度矩陣 [K ]的奇異性后，便可由該線性 方程組解出未知的節(jié)點位移 { }[29]； 19 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 第四步，根據(jù)已知的節(jié)點位移， 計算各單元的應(yīng)力。 在整個求解過程中，難點在于求解線性方程組。因為對于一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 自由度的數(shù)目可能成千上萬，然而一般價格的 PC 機運行速度和內(nèi)存容量都很有 限，所以很難滿足求解要求。工作站和大型計算機雖然可以解決這一問題，但價 格往往比較高。此外，有限元求解結(jié)果與有限元模型的合理性和邊界條件加載的 準(zhǔn)確性有密切的關(guān)系。 有限元仿真分析 1）幾何模型前處理 [32] 對于建立的有限元模型的基本要求為： a、網(wǎng)格大小適當(dāng)并且均勻。 b、各個 模型之間的接觸關(guān)系設(shè)置合理沒有人為引入接觸剛度。 c、邊界 條件和約束設(shè)置 合理正確。 由于切刀和壓片都為薄壁件，可以對模型進(jìn)行抽中面處理來簡化模型。蓋形 螺帽和螺柱刪除螺紋，然后采用求和布爾運算形成一個體。模型與模型之間需要 添加接觸的地方進(jìn)行映射處理，刪除結(jié)構(gòu)中多余的倒角和圓角和孔。如圖 31 和 32 所示為模型幾何前處理結(jié)果。 圖 31 刀具與壓片模型前處理 20 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 32 彈 簧模型前處理 2）定義材料屬性 根究所設(shè)計的切削裝置的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性質(zhì)，刀片和壓片采用 SHELL181 單元， SHELL181 單元適合用來分析中等厚度殼結(jié)構(gòu)。這種單元不但具有分析板 殼類模型的彎曲和薄膜力學(xué)的功能，而且還可以考慮板殼類結(jié)構(gòu)的剪切變形。該 類型單元的每個節(jié)點具有 6 個自由度：分別為沿著相應(yīng)節(jié)點坐標(biāo)系 x、 y、 z 三個 方向的平移和繞 x、 y、 z 三個方向的旋轉(zhuǎn)。螺柱采用 SOLID186 單元，彈簧和蓋 形螺母模型采用 SOLID185 單元。這兩種單元類型有 x、 y、 z 三個方向 的自由度， 單元具有塑性、應(yīng)力強化、大應(yīng)變等能力，便于施加載荷，且計算精度較高[29]。 刀架各零部件材料和力學(xué)性能見表 31。 表 31 刀架零部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量 /( MPa ) 泊松比 密度 /（ Kg / m3 ） 單元類型 彈簧 +05 7820 SOLID185 壓片 +04 2770 SHELL181 切刀 +05 7930 SHELL181 蓋形螺母 +05 7930 SOLID185 螺柱 +05 7930 SOLID186 3)劃分網(wǎng)格與有限元模型建立 [33] 刀片和壓片采用四邊形面單元自由網(wǎng)格劃分，螺柱采用六面體掃掠網(wǎng)格劃分， 彈簧采用四面體單元 patch independent 劃分方法，最小尺寸極限設(shè)為 05mm，蓋 形螺母采用四面體單元自由網(wǎng)格劃分。有限元模型總量為 1437604 個節(jié)點 855950 個單元，如圖 33 所示為切削刀架的有限元模型。 21 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 33 切削裝置有限元模型 4）邊界條件加載和添加接觸 [34] 通過文獻(xiàn)查詢，甘蔗的削皮反力在 9N 左右，于是對每個刀片在切削反方向 施加 10N 的力來模擬切削反力，同時在垂直方向給整個裝置施加 mm / s2 的 重力加速度，并對彈簧架的固定支撐點施加固定約束，具體如圖 34 所示。 對于模型與模型之間添加綁定的接觸方式來模擬零部件間的螺栓和焊接連 接，接觸公 式采用多點約束（ MPC）算法，因為這種算法通過內(nèi)部添加約束方 程來聯(lián)接接觸面間的位移，并且多點約束算法不基于罰函數(shù)法或 Lagrange 乘子 法而是直接處理綁定接觸接觸區(qū)域相關(guān)接觸面的方式，此外 MPC 算法還支持大 變形效應(yīng)。接觸行為設(shè)置為非對稱行為，并且為每個接觸之間添加 Pinball 區(qū)域。 Pinball 區(qū)域是設(shè)置的與接觸單元相關(guān)的一種參數(shù)，可以用來區(qū)分遠(yuǎn)場或近場的開 放狀態(tài)，設(shè)置了這種參數(shù)的球形區(qū)域可以理解為包圍了每個接觸點。如果綁定接 觸間隙小于 Pinball 半徑，系統(tǒng)將會默認(rèn)按綁定來 處理這個區(qū)域。 22 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 圖 34 邊界條件加載示意圖 5）結(jié)果分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn) 圖 35 所示為切削刀架結(jié)構(gòu)的整體變形結(jié)果，最大變形位移發(fā)生在壓片上為 ，同時可以看到被圈出的區(qū)域前后刀片發(fā)生了干涉，而其他區(qū)域變形在 接受范圍之內(nèi)。 圖 35 切削裝置整體變形結(jié)果云圖 所以可以通過在變形過大的彈簧支架 附近增加固定支撐來解決這個問題。 圖 36 為彈簧最大變形的位置和最大變形量為 。 23 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 0 36 彈簧變形云圖 0 37 為彈簧的等效應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力為 130Mpa,遠(yuǎn)小于 65Mn 彈簧鋼的 屈服應(yīng)力。 0 37 彈簧等效應(yīng)力云圖 切削運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 本論文所設(shè)計的切削運動機構(gòu)是由型材拼裝起來的，型材之間的連接部 位有 可能是機構(gòu)運行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)。使用 Solidworks 軟件的 Cosmotion 插件對 機構(gòu)運行過程中的反力和反力矩進(jìn)行仿真分析來找出機構(gòu)在運行過程中所受反 力以及所受反力矩最大時此機構(gòu)所處的位置，然后使用 ANSYS Workbench 對此 位置做幾何非線性的靜力學(xué)仿真來分析所設(shè)計的機構(gòu)是否滿足要求。 1）載荷分析 本章第一節(jié)在對切削刀架做靜力分析時已經(jīng)得出在切削過程中刀架的切削 反力為 120N，在 Solidworks 的 Cosmotion 環(huán)境下對機構(gòu)的工作行程階段施加 24 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 120N 的反作用力，如圖 38 所示。 圖 38 曲柄滑塊機構(gòu)作用力 時間曲線 然后對此機構(gòu)進(jìn)行反力矩仿真，計算得出驅(qū)動軸的反作用力矩 時間數(shù)據(jù)曲 線，如圖 39 所示，最大反作用力矩為 8560 ，即為要對此機構(gòu)所施加的載 荷大小。此時機構(gòu)的狀態(tài)為滑塊位于近端極限位置，即為要做靜力分析的機構(gòu)位 置。 圖 39 驅(qū)動軸反作用力矩 時間曲線 2）導(dǎo)入模型、定義 材料屬性 把當(dāng)曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊位于近端極限位置時的模型狀態(tài)導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 中，然后根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性質(zhì)，對軸和滾珠球軸 承軸承采用 8 節(jié)點六面體 Solid186 單元，支撐座和關(guān)節(jié)軸承采用 8 節(jié)點四面體 Solid185 單元來劃分，各部件材料和力學(xué)性能具體見表 32 所示。 表 32 零部件材料及其力學(xué)性能 零部件 彈性模量 /( MPa ) 泊松比 密度 /（ Kg / m3 ） 單元類型 軸 +05 7930 SOLID185 軸承 +05 7930 SOLID186 支撐座曲柄 +04 2770 SOLID185 3）劃分網(wǎng)格 對軸和深溝球軸承采用六面體為主的網(wǎng)格劃分并對驅(qū)動軸進(jìn)行網(wǎng)格加密，支 25 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 撐座連桿軸承采用四面體自由網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖 310 所示，網(wǎng)格總量為 16691，節(jié)點總量為 43184，有限元模型總量在可接受范圍。 圖 310 曲柄滑塊機構(gòu)網(wǎng)格 4）約束和載荷邊界條件加載 對驅(qū)動軸一端施加 的驅(qū)動力矩，深溝球軸承支撐座底面和滑塊底 面施加固定約束。為了模擬機構(gòu)中的鉸鏈連接和軸與軸承的轉(zhuǎn)動自由度，對模型 中存在以上連接方式的采用無分離接觸。對于機構(gòu)中零部件之間的螺栓連接或者 固定連接方式采用綁定接觸來模擬。打開 Large deflection 選項，使模型能夠?qū)崿F(xiàn) 幾何非線性求解。 5）結(jié)果分析 如圖 311 所示為驅(qū)動軸的扭轉(zhuǎn)變形矢量圖，通過觀察矢量云圖可知，軸的 扭轉(zhuǎn) 變形方向和變形大小的分布和理論相符合，所以此分析結(jié)果比較合理。最大 變形為 ，位于軸的驅(qū)動端部。 0 311 驅(qū)動軸扭轉(zhuǎn)變形矢量圖 0 312 為驅(qū)動軸的應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力位于與深溝球軸承相接觸的地方， 應(yīng)力大小為 72Mpa 遠(yuǎn)小于驅(qū)動軸材質(zhì)的屈服應(yīng)力，所以驅(qū)動軸滿足設(shè)計要求。 26 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 0 312 驅(qū)動軸應(yīng)力云圖 0 313 所示為曲柄與驅(qū)動軸連接 的反力矩方向，繞驅(qū)動軸方向的反力矩分 0 T 為 ，由驅(qū)動軸和曲柄間的靜摩擦系數(shù) f 為 和驅(qū)動軸直徑 D 為 12mm 帶入下式計算： 2T FN （ 33） f .D 式中 FN 為夾緊力，得 FN 為 ； 由《 GB/T 螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積》標(biāo)準(zhǔn)，查得 M6 螺牙螺紋應(yīng)力面積為 mm2 ，許用拉伸應(yīng)力為 640Mpa，所以計算得螺釘?shù)脑S 用拉力為 12864 N 的工作拉力。 圖 313 曲柄反作用力矩方向 此外，當(dāng)機構(gòu)位于此運動位置時曲柄整體所受的最大應(yīng)力為 ，應(yīng)力 云圖如圖 314 所示，遠(yuǎn)小于鋁合金的屈服應(yīng)力。所以，設(shè)計的曲柄結(jié)構(gòu)滿足使 用要求。 27 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 3 章 樣機的仿真分析 0 314 曲柄應(yīng)力云圖 框架支撐結(jié)構(gòu)的模