基于ANSYS Workbench的深松机铲座的仿真分析与研究*

赵文元 ，杨嘉鹏 ，董晓红 ，黄 卉

（新疆工程学院控制工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

我国常用的耕整地农机主要由圆盘犁、圆盘耙、联合整地机等构成，具有工作效率高、作业质量好的优点。随着时代的发展，耕整地机械已基本替代了传统的人力劳动，成为农业生产的主力。机械化耕整地技术是通过农业机械化方式对农田和农作物进行管理，可以有效提高土壤的透气蓄水能力，改善土壤结构，覆盖残茬和杂草，防治病虫害，其在农业生产中发挥着巨大的作用。同时，应用现代化设计、仿真、制造等技术，可以有效降低农机的故障率，极大地提高农机的可靠性。农机的使用极大地提高了农业生产的工作效率，为我国粮食生产安全提供了重要保障。

螺栓连接是机械装备的常用连接件，是继焊接、铆接之后发展起来的一种连接方式，具有施工简便、可拆换、受力好、不松动、安全性高等优点。根据其受力状况，可以分为摩擦型连接、承压型连接和张拉型连接三种类型。目前，我国在螺栓连接设计方面还没有形成统一的行业规范。螺栓连接的强度分析最常用的方法有解析法和有限元法。在用解析法分析螺栓强度时，需要对模型进行简化，但是部分参数的计算极其复杂，从而限制了解析法的推广和使用。近年来，随着计算机技术的发展，有限元分析成为螺栓连接强度分析的主要方法。应用有限元法分析的精度和所采用的模型类型有很大关系[1]，有限元分析中最常用的模型类型包括三维轴对称模型、二维轴对称模型和梁单元等。三维轴对称模型可用于有偏置载荷的场合，但其在分析中忽略了螺纹升角的影响；二维轴对称模型虽考虑了螺纹的存在，但忽略了螺旋效应对结构的影响；梁单元模型对结构进行了简化，忽略了螺纹细节。因此，每一种分析方法都存在一定的不足，从而都影响了分析结果的准确性[2]。

课题组以深松机的紧固螺栓和铲座为研究对象，建立三维模型，应用静力学、接触理论和有限元计算方法对深松机铲座及紧固螺栓的力学性能进行了分析和研究。研究结果为整地机械的优化设计、故障分析、零件选用及设备的维护提供了相关理论依据和数据支持。

1 深松机铲座有限元模型

深松机铲座机构主要由紧固螺栓、上压板、铲座和深耕铲构成，其结构如图1所示。通过实际测量相关零件参数，应用SolidWorks进行三维建模和装配，结构尺寸如图2所示。由于螺纹的受力分析极其复杂，因此在实际的建模过程中，对螺栓和螺母的模型进行了简化，在分析时对螺栓和螺母按绑定处理。将建好的三维模型导入有限元分析软件Workbench进行计算求解。

图1 凿式犁的三维结构图

图2 铲座的尺寸结构图

生产深松机所用的材料要求很高，要具有高强度、刚度和韧性，还要求耐腐蚀。本实验采用的材料为Q235碳钢，参数如表1所示。

表1 Q235碳钢材料参数

在ANSYS中进行分析时，网格划分的大小和关键位置的网格划分质量直接影响到分析结果的准确性。网格划分越紧密，计算量越大，计算的结果也越精确，而一些关键位置网格划分类型的选择也会直接影响计算结果的准确性。因此，在网格划分时，应用Workbench自动划分网格功能，以确保关键位置的网格精度符合要求。深松机铲座网格划分图，如图3所示。

图3 网格划分图

2 预紧力的计算及边界条件的设置

2.1 预紧力的计算

螺栓最常用的预紧方法有转角控制式、扭矩控制式和屈服控制式。当以拧紧力矩给出的预紧载荷，预紧力和拧紧力矩的关系[3-5]为：

将式（1）整理得

式中，Tf为拧紧力矩；Fpre为预紧力；P为螺纹节距；dp为外螺纹有效直径；ρ＇为当量摩擦角；α为牙形半角；β为螺纹升角；μs为螺纹副摩擦因数；μw为螺母支撑面摩擦因数；dw为支撑面等效直径；B为螺母对边距；Di为螺栓孔直径。

当以螺母转角给出的预紧载荷，预紧力和螺母转角的关系[1-3]为：

式中，φ为螺母转角；Kt为螺栓刚度；Kc为夹持件刚度。

在实际结构中，铲座是通过螺栓和螺母固定在机架上，依靠螺栓的预紧力，铲座和机架产生摩擦力，限制了深耕铲各个方向的自由度，从而达到固定深耕铲的目的[4-6]。

2.2 边界条件的设置

对装配体进行分析时，接触对的设置直接影响分析结果的准确性。预紧力的加载只能在非接触面区域，根据实际接触状态，将上压板与机架、铲座和机架、螺栓和铲座、螺母和上压板的接触都设置为摩擦接触，摩擦系数为0.15。螺栓与螺母设为绑定约束[7]，如图4所示。

图4 连接件的边界条件设置图

在实际工作环境中，深松机与拖拉机是连接在一起的。因此，在边界条件的设置中，机架设为固定约束。螺栓的预紧力是在拧紧力矩作用下，连接件之间螺杆产生的沿螺栓轴线方向的预紧力[8]。预紧力的大小和螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被连接件之间的摩擦力、螺栓的拧紧力矩有关。在分析中，预紧力的添加是通过控制螺杆的收缩量来添加，收缩的长度为3 mm。

3 有限元仿真计算结果分析

3.1 铲座的整体结构分析

在设置完所有的关键参数及边界条件后进行求解分析。先分析铲座及螺栓整体，铲座的形状、螺栓分布及预紧力设置都存在对称性。因此，铲座、螺栓、上压板的总变形、等效应力、等效应变的分布也存在对称性。在螺栓预紧力的作用下，铲座固定位置的机架出现了挤压变形，靠近螺栓部分的机架出现了应力、应变集中现象，结构突变处的应力和应变最大，如图5、图6、图7所示。因此，深松机在设计时，机架和螺栓应该有足够的刚度。如果机架刚度不够，预紧力过大则会使机架产生塑性变形，从而出现铲座松动的现象。

图5 铲座的变形云图

图6 铲座的应力云图

图7 铲座的应变云图

3.2 上压板的结构分析

分析上压板时，将其他零部件进行隐藏。螺栓在预紧时，两侧的预紧力相等，上压板的结构对称。因此，上压板两侧的变形、等效应力、等效应变存在对称性，如图8、图9、图10所示。分析图8发现，上压板的中间变形较小，越靠近外侧，变形越大。分析图9和图10发现，上压板的等效应力、等效应变分布存在集中的现象，结构突变的位置应力、应变最大。孔的位置也出了应力、应变集中的现象，这是因为在螺栓预紧力的作用下，各个零件之间产生了相互作用的内力。从梁板的等效应力、等效应变分布可以看出，螺栓连接各部件时，上压板对螺栓产生了横向剪切。

图8 上压板的变形云图

图9 上压板的应力云图

图10 上压板的应变云图

3.3 螺栓的结构分析

为了观察螺栓的计算结果，将其他所有的部件隐藏，对螺栓进行了剖切观察。螺栓的等效应力分布图如图11所示，螺栓在固定铲座的时候，出现了应力分布不均的情况，靠近机架主梁的一侧与背侧应力不相等。这是因为机架主梁存在一定刚度，在螺栓预紧力的作用下，主梁、螺栓、上压板之间产生了相互作用的内力。因此，靠近机架的一侧应力较大，背侧应力较小。如果两侧的应力大小分布差距过大，则会使螺栓出现弯曲失效现象，如图12所示。

图11 螺栓的应力云图

图12 螺栓连接弯曲失效图

螺栓两侧等效应力沿外轮廓线的分布情况如图13所示，分析对比发现，靠近机架一侧的应力较大，为拉伸应力；外侧的集中应力较小，为挤压应力。螺栓与螺母接触的位置出现了应力集中的现象，该位置最容易形成裂纹，在外部载荷的冲击下，就会出现裂纹的拓展，从而发生断裂。根据实验统计，螺栓最常见的疲劳断裂位置是螺栓与螺母啮合的第一个螺牙的牙底处，这是因为螺栓和螺纹连接处的结构发生了突变，螺牙的牙底出现了应力集中的现象，在外部载荷的作用下，此处最容易发生疲劳断裂，发生的概率为65%。

图13 等效应力沿外轮廓线的分布图

螺栓的应变云图，如图14所示；螺栓两侧等效应变沿外轮廓线的分布情况，如图15所示。分析可知，螺栓应变的分布情况和应力的分布情况相似。因此，本实验仿真分析的结果与实际实验结果相似。

图14 螺栓的应变云图

图15 等效应变沿外轮廓线的分布图

4 结论

课题组采用静力学、接触分析理论和有限元计算方法，对深松机的铲座、紧固螺栓和上压板接受力进行了分析研究，为深松机关键零部件的优化设计和应用提供了分析数据，得到了以下结论：

1）在无外部载荷作用时，如果螺栓和被连接件存在结构对称，则在添加相同的预紧力后该结构的变形、等效应力、等效应变同样对称。在机械设计时，机架应该有足够的刚度，否则当预紧力过大，机架就极易产生塑性变形。

2）在螺栓预紧时，上压板的变形存在对称性，最外侧的变形最大，结构突变出的位置出现了应力、应变集中的现象。上压板与螺栓连接的孔处存在应力和应变分布不均的现象，在内力的作用下，上压板对螺栓产生了横向剪切。

3）在螺栓预紧力的作用下，主梁、螺栓、上压板之间产生了相互作用力。因此，靠近机架的一侧应力、应变较大；背侧应力、应变较小；螺栓与螺母接触的位置应力、应变最大。在外部载荷冲击的情况下，该位置最容易发生疲劳断裂。