基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析.docx
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基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析
摘要
宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式,该种植方式的目标是增加通风,减少病虫害,增加水稻产量。
目前国内插秧机用分插机构都是等行距(30cm)形式,延吉插秧机制造有限公司和黑龙江农业机械研究所研制了一种宽窄行插机,采用等行距插秧用的曲柄摇杆式分插机构,只是在分插机构和秧箱的布置上做了一定的改进。
实现了20cm-40cm的插秧行距,但秧箱未能有效利用,尤其是采用20cm秧盘,与现有30cm秧盘不通用,机器不成熟,限制了机器的推广。
另外,浙江理工大学赵匀等提出了多种行星轮系宽窄行分插机构,并进行了机构运动学的分析和参数优化。
宽窄行分插机构是宽窄行水稻插秧机的关键工作部件,其性能的优劣将直接影响水稻插秧质量、插秧机工作可靠性、使用寿命和插秧效率,直接决定插秧机的整体工作性能和品牌竞争力。
因此,对宽窄行水稻插秧机分插机构进行运动学、动力学、强度方面的分析、研究,具有重大的现实意义和经济效益,对高速插秧机的发展,宽窄行分插机构的研制以及我国水稻种植机械化水平的提高具有重要的理论意义,同时还给零件的刚柔耦合分析提供了一种实现方法。
本课题以水稻插秧机宽窄行分插机构为研究对象,首先分析了分插机构在高速和低速运动下机座的受力变化情况,讨论了在多高的转速下需要考虑分插机构的不平衡现象,并通过在机构上增加配重来优化高速下机座受力变化幅度;其次将分插机构栽植臂壳体看作柔性体,对其在水稻插秧机分插机构工作过程中受到的应力、应变、位移进行了分析、研究,主要内容如下:
(1)实现UG与ADAMS的数据转换,实现虚拟样机的仿真;
(2)分析不同转速下机座受力;
(3)在ADAMS中进行动平衡研究;
(4)实现UG与ANSYS的数据转换,在ANSYS中生成取苗臂壳体中性文件;
(5)实现ADAMS与ANSYS的数据转换,在ADAMS中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析;
(6)仿真载荷文件的提取及在ANSYS环境下的取苗臂壳体强度分析;
关键词:
宽窄行分插机构;动平衡;柔性体;ANSYS;ADAMS
Abstract
Wide-narrowdistanceplantingisputforwardbyagriculturalexpertsandisacultivationmodesuitabletoChina'sriceplantingrequirements,thegoalofthiscroppingsystemistoincreaseventilation,reduceplantdiseasesandinsectpests,increasetheyieldofrice.Atpresent,domestictransplanterwithmechanismarespaced(30cm),yanjitransplantermanufacturingcommpanyandHeiLongJiangagriculturalmachineryhavedevelopedawide-narrowdistancetransplatingmachine,adoptingwide-narrowdistanceplantingwiththecrankrockermechanism,justdoacertainimprovementonthemechanismandtheseedlingbox’slayout.Acheivetheplantingspaceof20cm—40cm,buttheseedlingboxfailstouseeffectively,especiallyusing20cmseedlingbox,whichisnotgeneralusingwiththeexisting30cmseedlingbox.Becausemachineisnotmature,soitlimitthepromotionofthemachine.Inaddition,ZhaoYunofZheJiangSci_TechUniversityputforwardavarietyoftransplantingmechanismwithplanetarygeartrainspacing,andtheanalysisofkinematicsandparameteroptimization.
Wide-narrowdistancetransplatingmechanismisthekeyparttothespacingofricetransplanterworkingparts,itsqualityperformancewilldirectlyaffectthequalityofriceseedlingtransplanter,workreliability,servicelifeandplantingefficiency,theoverallworkperformanceanddeterminetransplanter’sbrandcompetitiveness.Therefore,thekinematics,dynamics,strengthanalysisandresearchforspacingricetransplantermechanismhasthesignificantpracticalsignificanceandeconomicbenefits,forthedevelopmentofhigh-speedricetransplanterandthatthedevelopmentandtheimprovementofriceplantingmechanizationwide-narrowdistancetransplatingmechanisminourcountryhasimportanttheoreticalsignificance,italsoprovidesanimplementationmethodaboutthecoupledanalysisofpart.
Thisreaserchobjectisaboutthericetransplanterwide-narrowdistancetransplatingmechanism,firstlyanalyzesthestressofmechanismonhigh-speedandlow-speedmovementchanges,discussesinhowhighspeedweneedtoconsiderthemechanismimbalance,andoptimizationthevariationsinforcethroughtoaddweighttothemechanism;Secondregardtheplantingarmshellasflexiblebody,analysisandreaserchthestress,strainanddisplacementofricetransplantermechanismintheprocessofworking,themaincontentlistasfollows:
1)RealizetheUGandADAMSdataconversion,andthesimulationofvirtualprototype;
2)Analysisofthechassisforceindifferentspeed;
3)ReaserchdynamicbalancinginADAMS;
4)RealizetheUGandANSYSdataconversion,andgeneratethe.mnffile;
5)ToachievedataconversionofADAMSandANSYS,andrealizationthecoupledmodelofthemechanismandthesimulationanalysisinADAMS;
6)ExtractiontheloadfileofSimulationandtakeplantingarmshellstrengthanalysisinANSYS;
Keywords:
wide-narrowdistancetransplatingmechanism;dynamicbalance;flexiblebody;ANSYS;ADAMS
目录
摘要
Abstract
第一章绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义1
1.2行星系分插机构的研究现状2
1.2.1传统行星系分插机构2
1.2.2宽窄行行星系分插机构4
1.3研究内容5
1.4课题的研究思路6
1.4.1联合仿真分析6
第二章UG三维建模及虚拟样机装配8
2.1虚拟样机技术8
2.2栽植臂装配图8
2.3UG建立分插机构虚拟样机的三维模型9
2.4ADAMS仿真步骤11
2.4.1创建几何模型11
2.4.2创建约束和运动11
2.4.3施加力12
2.4.4添加驱动12
2.4.5仿真分析与结果后处理13
2.5建立分插机构虚拟样机13
2.5.1分插机构三维模型导入ADAMS13
2.5.2定义分插机构构件属性14
2.5.3添加运动副15
2.5.4施加载何及驱动16
2.5.5分插机构虚拟样机仿真17
2.6本章小结19
第三章基于ADAMS的配重研究20
3.1不同转速下支座力的研究20
3.2确定配重块位置21
3.2添加配重块21
3.3参数化配重块半径21
3.4设计研究22
3.5最优化求解23
3.6结果分析23
3.7本章小结24
第四章基于ANSYS和ADAMS的栽植臂壳体强度分析25
4.1ADAMS建立柔性体25
4.1.1离散柔性连接25
4.1.2利用有限元程序建立柔性体25
4.1.3利用ADAMS/AutoFlex创建柔性体25
4.2UG、ANSYS、ADAMS之间的数据转换26
4.2.1UG与ANSYS之间的数据转换26
4.2.2UG与ADAMS之间的数据转换26
4.2.3ANSYS与ADAMS之间的数据转换26
4.3ANSYS生成模态中性文件27
4.3.1设置单位制27
4.3.2设定单元类型27
4.3.3定义材料属性27
4.3.4设置实常数27
4.3.5定义单元截面28
4.3.6划分网格28
4.3.7建立蜘蛛网模型29
4.3.8ANSYS生成柔性体中性文件31
4.4ADAMS生成载荷文件31
4.4.1替换刚性栽植臂壳体31
4.4.2定义外部载荷32
4.4.3刚柔耦合模型运动仿真分析32
4.4.4输出载荷文件33
4.5栽植臂壳体强度分析37
4.6本章小结39
第五章总结与展望40
5.1总结40
5.2展望40
参考文献42
致谢44
第一章绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.1.1研究背景
宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式,该种植方式的目标是增加通风,减少病虫害,增加水稻产量。
全中国水稻年产量达2000亿公斤,占世界产量的一半以上,平均单产是世界水平的1.6倍。
水稻是我国主要粮食作物,在粮食安全中占有极其重要的地位。
水稻常年种植面积约3000万公顷,占全国谷物种植面积的30%,世界水稻种植面积的20%;稻谷总产量近20000万吨,占全国粮食总产的40%,世界稻谷总产的35%;稻谷平均单产6.212吨/公顷,是单产最高的粮食作物。
但是我国水稻种植基本采用人工育秧、插秧、收获的“三弯腰”方式,劳动强度大,工作效率较低。
我国虽在五六十年代就提出了水稻栽植机械化,但行动慢,步子小,进展不大。
据有关数据表明,水稻种植、收获两个环节实现机械化作业可分别减少劳动用工量40%和76%,大幅度提高工效;机械栽插比人工手插平均节约成本450元/公顷左右,提高单产375公斤/公顷以上;机械收获较人工收获节省成本300元/公顷。
因此,提高水稻插秧机械化水平对我国只拥有7%的世界耕地却要养活22%世界人口的国家来说,具有重大的意义。
2013年农业部落实农业机械化发展目标任务,农业部要求,要积极争取各方支持,落实完善农机化发展扶持政策;加强农机与农艺、农机化与信息化融合,促进技术创新推广;大力推进农机社会化服务,加快发展农业生产全程和全面机械化。
水稻插秧机是比较复杂的田间水稻种植作业机械,分插机构是水稻插秧机的核心工作部件,由取苗臂和秧针轨迹控制机构组成,在其他工作部件配合下完成分秧和插秧的动作,其性能直接影响插秧质量、工作可靠性和插秧效率,决定插秧机的整体水平和竞争力,因此对水稻插秧机分插机构运动运动学、动力学、强度方面的分析、研究,具有重大的现实意义和经济效益[1]。
1.1.2研究意义
由于机械向轻型化、高速化方向发展的趋势,导致构件的柔度、惯性力矩急剧增大,在这种情况下,构件的弹性变形将会给机械的运动输出带来误差,尤其是对于一些挠度比较大的构和一些会产生大变形的构建。
对于一些高精密机械,必须计入这种弹性变形对精度的影响,机械系统的柔度加大,系统固有频率下降;机械运转速度提高,激振频率上升。
激振频率和固有频率靠近,可能会发生较强的振动现象,既破坏机械的运动精度,又影响构件的疲劳强度,并引发噪声。
现代机械系统朝着高速、重载、高精度方向发展的要求也使设计者越来越重视构件的动应力和产品的寿命预估,使得系统刚性运动与其自身变形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已成为该领域急需解决的普遍问题和关键技术。
宽窄行分插机构也是高速插秧机的部件,由于速度高,而且其取秧与插秧运动是空间运动,所以不能不考虑机座的受力不平衡量,通过在壳体上增加配重块,ADAMS可以对整个部件进行分析求解。
在机械系统中,柔性体会对整个系统的运动产生重要影响,在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差,同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态,从而决定了构件内部的应力应变分布。
采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真它不但可以精确的模拟整个系统的运动,而且可以基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析[2]。
为了提高宽窄行水稻插秧机的工作效率和工作质量,分插机构不断朝着高速、高精度方向发展,为了更加精确地模拟整个系统的运动,反映分插机构的应力、应变问题,必须将薄壁铝制的分插机构栽植臂壳体看作柔性体来进行运动仿真分析,可以将ANSYS与ADAMS两个软件结合使用。
通常,ANSYS不适合进行机构的动力学分析,而ADAMS不适合进行有限元分析,将二者结合,有利于取长补短。
ADAMS软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件,分析对象主要是刚体,但与ANSYS软件结合使用可以考虑分析零部件的弹性,同样ADAMS的分析结果可为ANSYS分析提供相应的边界条件[3-8]。
1.2行星系分插机构的研究现状
1.2.1传统行星系分插机构
传统行星系分插机构主要是等行距的,这种机构插秧的缺点是不利于秧苗内部通风。
主要有如下五种形式。
(1)偏心齿轮行星系分插机构
偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明,并在中国申报专利。
该机构如图1.1所示,共有9个半径相同的偏心齿轮,太阳轮10固定不动,两边对称布置2对齿轮,栽植臂4固定在行星轮8上,行星架7与太阳轮共轴。
工作时,行星架转动,2个惰轮9(也称中间轮)绕太阳轮转动,带动2个行星轮在周期内摆动,栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动,构成了特殊的运动轨迹,可满足秧爪轨迹和姿态的要求。
偏心齿轮行星系分插机构与非圆齿轮行星系分插机构相比较有加工简单的优点,但齿隙变化引起振动,需增加防振装置,结构较复杂。
中国学者也对该机构进行了研究和改进,在对该机构进行运动分析的基础上,用解析法建立了该分插机构的运动学模型[9]。
(2)偏心链轮式分插机构
偏心链轮式分插机构采用5个偏心链轮,利用传动比变化实现分插机构的传动要求。
偏心链轮分插机构的传动部分产生效果,与偏心齿轮、椭圆齿轮分插机构相同。
不同之处在于偏心链轮分插机构没有中间轮,取而代之的是两个等径偏心链轮的传动比变化来实现要求。
两偏心链轮轮心在工作周期中,靠近和分离造成链条松紧变化可由偏心张紧轮消除[10]。
1.中心椭圆齿轮2、3.中间椭圆齿轮
4、5.中间圆齿轮6、7.行星圆齿轮
图1.2正齿行星轮系分插机构
1.推秧凸轮2.拨叉3.推秧弹簧
4.载植臂5.推秧杆6.秧爪
7.行星架8.行星轮9.惰轮10.太阳轮
图1.1偏心齿轮行星系分插机构
(3)椭圆差速分插机构
椭圆差速分插机构在一个回转的壳体里(相当于轮系机构的行星架)安装3个全等的椭圆齿轮,3个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的交点上且相位相同,并支撑在壳体上,栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体的平动和绕行星轮轴心的不等速转动的合成,从而使秧爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹。
另外,在栽植臂上附加推秧机构,其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤中。
(4)正齿行星轮系分插机构
正齿行星轮系分插机构如图1.2所示,它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。
通过键、行星轮轴与行星圆齿轮固结的一对栽植臂,一方面随着行星架作圆周运动,另一方面随着行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动,在这两种运动的复合下,秧爪按要求的姿态(角位移和轨迹)运动,通过选择合适的结构参数,就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角[11]。
(5)椭圆齿轮行星系分插机构
图1.3椭圆齿轮行星系分插机构
椭圆齿轮行星系分插机构如图1.3所示。
其传动部分由5个全等的椭圆齿轮、行星架和2个栽植臂组成。
中央椭圆齿轮I(也称太阳轮)与机架固定,在起始位置,5个椭圆齿轮长轴在一条直线上,行星架转动,转速为
,2个中间齿轮(也称惰轮)绕太阳轮转动,带动2个行星轮(齿轮III)在周期内摆动,行星轮与栽植臂一体,栽植臂上各点(包括秧爪尖)作复合运动:
行星轮轴随行星架的圆周运动(牵连运动)和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动(相对运动),构成了特殊的运动轨迹。
秧爪的角速度为行星架角位移和行星轮角位移的代数和。
在VB6.0平台上开发出人机交互参数优化软件,分析了各结构参数对运动轨迹和优化目标的影响,优化出满足插秧要求的结构参数[12-13]。
1.2.2宽窄行行星系分插机构
(1)非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构
非圆锥齿轮行星轮系分插机构结构如图1.4所示,主要由太阳轮4,中间斜齿轮2、中间非圆锥齿轮3、和行星轮1组成。
其中行星轮也是非圆锥齿轮,与非圆锥齿轮3配合,太阳轮固定不动,随着壳体的转动将带动中间轮和行星轮转动,从而完成取秧和插秧过程,由于非圆锥齿轮的存在,秧爪尖点的运动轨迹为空间轨迹。
1.右行星齿轮2.右中间斜齿轮3.右中间非圆锥齿轮4.右太阳轮
图1.4非匀速空间行星轮系分插机构
(2)圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构
1.中心轴2.太阳轮3.行星架4.中间轮5.中间轴6.行星轮7.凸轮8.行星轴9.圆柱凸轮10.滑块11.栽植臂壳体12.弹簧13.推秧杆14.秧针15.拨叉
图1.5圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构
圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构原理如图1.5所示,机构由变速传动部件和栽植臂组成,其变速传动部件有5个全等的变性椭圆齿轮,太阳轮2与机架固结,中心轴1带动行星架3及两个中间轮4和两个行星轮6转动,两个中间轮4和太阳轮2啮合产生自转,并分别带动对应的行星轮6相对行星架3转动;栽植臂11通过行星轴8与行星轮6固结,圆柱凸轮9以栽植臂11相对行星架3转动作为动力,驱动栽植臂11在旋转的同时相对行星架3横向移动,形成一空间轨迹,推秧杆13在凸轮7、拨叉15和弹簧12组成的凸轮机构的控制下,依靠弹簧12弹力在指定位置完成推秧,并通过凸轮7挤压弹簧12收回,准备取秧和下次推秧。
1.3研究内容
目前对于分插机构的研究都集中于,秧针尖点轨迹、姿态角、取秧角度、插秧角度、秧针尖点的运动速度等上面,缺乏对动力学的研究;缺乏对机构平衡的考虑,基于此种情况,尤其是在高速运动情况下,不平衡量的大小对机构的可靠性和使用寿命起着至关重要的作用,利用多刚体动力学分析软件ADAMS对宽窄行分插机构的平衡情况进行研究。
分插机构栽植臂壳体是薄壁硬铝合金壳体,当分插机构取秧时,按在栽植臂壳体上的秧针撕取秧箱上的秧苗,此过程是分插机构整个周期中受力最大,也是容易产生破坏的过程。
本论文利用ADAMS分析纯刚体分插机构在高速运动时机座的受力变化情况,还采用了ADAMS和ANSYS两个软件的联合仿真技术来研究分插机构栽植臂在取秧时刻或者出现意外(如取秧时秧针与秧门发生碰撞、插秧时碰到石子)时栽植臂的变形和应力分布,通过结构的改进设计以提高栽植臂工作时的可靠性。
主要的研究内容如下:
(1)实现UG与ADAMS的数据转换,实现虚拟样机的仿真;
(2)分析不同转速下机座受力;
(3)在ADAMS中进行配重研究;
(4)实现UG与ANSYS的数据转换,在ANSYS中生成取苗臂壳体中性文件;
(5)实现ADAMS与ANSYS的数据转换,在ADAMS中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析;
(6)仿真载荷文件的提取及在ANSYS环境下的取苗臂壳体强度分析;
1.4课题的研究思路
本课题利用UG、ADAMS、ANSYS实现对分插机构视为刚柔耦合机构进行联合仿真分析,其流程如图1.6所示:
图1.6刚柔耦合分插机构运动仿真分析流程图
1.4.1联合仿真分析
1.5本章小结
1.提出了本课题研究的背景及意义;
2.综述了水稻插秧机分插机构的研究现状及关键技术;
3.阐述了本课题的研究内容及研究思路。
第二章UG三维建模及虚拟样机装配
2.1虚拟样机技术
虚拟样机技术(VPT,virtualprototypingtechnology)是一种基于虚拟样机的数字化设计方法,是各领域CAX/DFX技术的发展和延伸。
虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术,现代信息技术,先进设计制造技术和现代管理技术,将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计,并对他们进行综合管理。
与传统产品设计技术相比,虚拟样机技术强调系统的观点,涉及产品全生命周期,支持对产品的全方位测试,分析与评估,强
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