同不耕速条件下水平摆式犁犁胸动力学特征分析--大学毕设论文.doc

不同耕速条件下水平摆式犁犁胸动力学特性分析 第 30 页 共 30 页不同耕速条件下水平摆式犁犁胸动力学特征分析作者： 指导老师：（安徽农业大学工学院 年级专业：12机制 合肥 230036）摘要：水平摆式犁犁胸是水平摆式犁的重要部件之一，其作用是利用它的独特的结构特点在往复工作过程中使得土都翻向一侧。笔者在调查中国传统的农用犁时发现，传统的犁只能完成单向的翻土过程。而双向摆式犁的犁胸的犁壁可完成梭式作业，犁壁曲面的形状设计成近似圆柱的对称设计。这样就可以确保犁胸在左翻或者右翻的情况下所有的组件形状完全一样。当犁胸在工作过程中受到来自土壤的阻力、摩擦力等外力会导致其磨损变形。笔者在SolidWorks中绘出犁胸的三维模型，建立基本的数据，再在GAMBIT中划分出清晰准确的网格并设置边界，利用fluent软件模拟虚拟条件下的工况，得到相关的力学参数。最后总结出相关的犁胸各部位的力学特征。完成后带入到实际中进行检验。以证明此次模拟的可靠性。关键词：水平摆式犁犁胸、流体动力学、SolidWorks、GAMBIT、fluent1 引言在科技日益飞速速发展的今天，对于工作部件的磨损以及受力情况，继续靠使用传统的大量的实验得出结果再去分析已经被时代所淘汰。现如今，最好的方法是对工作部件进行三维建模，在三维建模平台下建立正确的三维模型，利用相应软件对实际工况进行有效的虚拟模拟，然后再运用计算机做相应的大量的计算分析。在得到大量的计算机模拟实验数据结果后即可得出一定的结论。最后带入到实践中去检验即可。如此即可得到正确的结论，也可以得到相应的直观的数据。比起传统的实验分析效率得到大大的提升。在多年的实际操作中，模拟工件在虚拟的不同工况下运行后所得到的数据和最后得出结论几乎是与实际情况相吻合的。正因为这种简单、易操作、成本低的模式使得流体动力学解决实际问题成为了一直广受使用者青睐的使用方法。在笔者对中国传统农用单向犁调查是发现：犁胸的磨损最大的部位是犁胸胫刃周边的区域，观察其在农田里的运动时笔者发现：在翻土的过程中犁胸的刃胫部位类似于刀具切削工件时的刀尖，为应力集中区域，固磨损远大于其他区域。报以推理的心态，笔者在互联网上查找出了水平摆式双向犁犁胸的运作过程。在查找中发现，一般情况下水平摆式犁犁胸的胫刃周围也是是磨损最为严重的部位。故在本文中运用计算流体动力学方法对不同耕速下的犁胸进行受力分析。2 所运用软件简介2.1 SolidWorks简介在三维建模软件中，SolidWorks软件是美国SolidWorks公司1995年推出的三维机械CAD软件，具有基本特征、单一数据库、参数化设计及全相关性等特点，这样的三维建模平台软件设计让SolidWorks同CATIA、UG、等多款三维建模软件齐名并常用。SolidWorks软件是一款优秀的CAD软件。其作为windows平台下的机械设计软件，学习了windows软件简单方便、操作便捷的基本特点并完全融入了windows。这使操作初学者可以在较短的时间里学会并熟练的运用此软件。在三维建模中，操作者可方便的在二维空间中绘制出草图，对草图进行定义、约束以及添加相关几何参数。再做相应的几何拉伸、切除、旋转、扫描等步骤得到一个大致的模型。在这些零件大致模型的基础上再运用倒角、圆角、拔模、孔、壳等运用可以得到一个与实体相对应的零件三维模型。绘出所有零件三维模型后，操作者可对所有零件模型进行零件装配操作，从而可得到设计者所需要的实体三维模型。在装配完成后，根据操作者需求，SolidWorks也可以对装配好的机械部件进行动画仿真，在计算机中对机械部件运动进行模拟。其强大的功能常应用于机械设计、车辆、国防工业、航空航天等各方面领域。在这些领域中SolidWorks做出了突出的贡献并获得了相当重要的地位。2.2 GAMBIT简介GAMBIT软件是fluent公司推出的一款优秀的网格划分软件。其作用是几何建模和对计算结果进行处理前的网格划分。GAMBIT作为主要的fluent网格划分软件也一直只为fluent软件服务。故有人戏称其为fluent的御用软件。GAMBIT软件之所以广受欢迎也是因为之一其有强大的导入功能，可以轻松的导入SolidWorks、CATIA、pro/e等绘出的三维实体模型。这也使得操作者无需担心其三维建模软件是否需要专用的软件，让使用者可以在自己所熟悉的三维建模软件里绘制出准确的模型。其次，在软件中拥有强大的几何修正功能。导入图形后可自动缝合重合的点、线、面。在网格划分中也可以精确的划分出清晰的四面、六面和混合网格。这样可以让其在接下来的fluent仿真运算中得到精准的结果，从而缩小与实际的误差。在GAMBIT划分网格中一般分为结构网格和非结构网格两类。四边形单元常用在2D平面的网格划分中，而六面体单元为3D模型的网格划分。软件中网格生成过程如下：（1）建立几何模型。几何模型是网格和边界的载体，对于二维问题，几何模型是二维面；对于三维问题，几何模型是实体。（2）划分网格。在所生成的几何模型上应用特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分，获得网格。（3）指定边界区域。为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始化条件做好准备。因为GAMBIT只支持Unix条件，固在安装时必须建立相关的环境，也就是下载并安装exceed。这也使得初学者在没有安装exceed下安装好了GAMBIT软件后无法打开时感到困惑。而exceed与fluent并没有关联。在没有exceed的环境下fluent可以继续运行，并得出相关的结果。2.3 fluent软件介绍Fluent软件是cfd推出的一款优秀的商业软件，其功能是模拟从不可压缩到高度可压缩范围的复杂流动。采用多种求解方式和多重网格加速收敛技术。fluent在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流等方面有广泛的运用。而其与GAMBIT的结合运用可以非常轻易的模拟流体在机械工作部件上的运动状态和得到相应的力学参数。并且计算结果可通过云图、矢量图、等值线图直观的向操作者展示。这也使得此软件受到的广大客户的青睐。其主要的模拟能力包括：（1）用非结构自适应网格求解2D或3D区域内的流动（2）不可压或可压流动（3）稳态分析或瞬态分析（4）无粘、层流和湍流（5）牛顿或非牛顿流体（6）各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流、混合对流、辐射热传导等（7）多重运动参考系，包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静结合模型等FLUENT的求解主要步骤如下：（1）创建几何模型和网格模型（在GAMBIT或其他前处理软件中完成）（2）启动FLUENT 求解器（3）导入网格模型（4）检查网格模型是否存在问题（5）选择求解器及运行环境（6）决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性，是否存在多相等（7）设置材料特性（8）设置边界条件（9）调整用于控制求解的有关参数（10）初始化流场（11）开始求解（12）显示求解结果（13）保存求解结果3 犁胸的相关参数在实际测量中我们得到犁胸的水平元线角为55度。厚度为8毫米，犁胸曲面内侧半径为172cm。经查找得到犁胸曲面表面粗糙度为6.3，其余部位为12.5。4 犁胸三维实体模型的建立4.1 运用SolidWorks建立犁胸三维实体模型在本文中是运用SolidWorks软件平台来建立实体三维模型的。固下文对其建模予以详细的论述。 1、打开SolidWorks软件，进入“新建零件图”，在“前视基面”上绘出如下草图，标注并约束。4-1 4-1 2、绘出下图中的短直线，选择“裁剪”。“裁剪到最近断”。得到下图。4-24-3 3、拉伸实体。点击“拉伸”按钮，选择需要拉伸的草图，点击“两侧对称”拉伸长度设置为566mm。得到一个三维实体，如下图所示。4-44-5 4、退出“草图绘制”，选择拉伸体的底面，进入“草图绘制”。在物体视角中选择“下视”，绘制出下图中的黑色线段显示的三角形。以及一条中心线。标注并约束使得所有线段显示为黑色。以显示所有线条得到规定的约束。以确保建模数据的准确性。4-65、点击“镜”按钮。在“要镜像的实体”中选择上图所绘制的黑色三角形。在“镜像点”中选择上图中的中心线“直线1”。点击确定。得到下图所示的对称图形。4-7 6、点击“拉伸-切除”选择“完全贯穿”。点击确定，得到下图。4-8 7、在下视基面上绘出下图。4-98、 重复第5步操作，得到下图。4-104-119、 重复第6步操作。得下图。4-124-1310、 对犁胸尖端导圆角。选择“圆角”。设置圆角半径为8mm。点击确定。如下图。4-144-1511、得到最终的犁胸三维建模图形。其图形如下图所示。将三维模型数据进行检查、核对。确保与实体吻合。4-164.2 在SolidWorks软件平台下绘制犁胸三维实体模型工程图为了直观的展示操作者建立三维模型的正确性，通常会对绘制出的三维模型绘制工程图。在二维软件制图软件中，CAD是一款值得首选的制图软件，但从重新选择二维制图软件绘制工程图不免过于繁琐，加大工作负荷。SolidWorks软件可在使用者绘制完三维模型后将三维模型直接导入到使用者所需要的相应大小的图纸中，以获得零件或者装配体的工程图。大大的节省了使用者的时间和操作。同时也可以避免尺寸精度相关的问题。下图为在SolidWorks软件中绘制的犁胸三维模型图导出的工程图。具体操作过程如下： （1）打开软件，点击“工程制图” （2）在树形图中右击“图纸”，选择“添加图纸”。选择A4纸作为此次绘制 工程图用纸。 （3）编辑好相应标题栏。 （4）点击“视图布局”、“模型视图”。选择绘制好的三维模型文档，导入至所选图纸中。（5）对工程图进行标注，填写技术要求以及其他信息。 4-95 运用计算流体动力学方法5.1犁胸流体动力学模型的建立为了得到较好的较为逼真的仿真模型。我们将SolidWorks中绘制出的犁胸三维模型图导入到GAMBIT计算区域几何体。首先将先前绘制好的三维实体模型保存文件形式为“.x-t”形式，再导入至GAMBIT中进行网格划分，在“volume”右边的黄色区域选择犁胸体，在“spacing”中输入10 ，点击“apply”得到清晰的网格。再根据实际情况设置出正确的边界条件，使得在fluent里能够得到正确的仿真结果。设置完成后检验网格，再将文件以mesh形式导出。划分好的网格如下图所示。图5-15.2分析计算本文通过流体力学的方法来模拟耕深为30cm下耕速为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s的条件下的犁胸的力学特征。在GAMBIT前置处理中以对其他的边界进行了设定，所以在接下来的仿真中只需改动犁胸的运行速度设置即可得到所需的结果。1、 打开fluent软件，选择“3D”进行运行。2、 软件选择“read”选择“data”选择上一步在GAMBIT中完成的网格划分文件。3、 确定长度单位为m。点击“Grid”、“Scale”。设置如下图5-24、 点击“Grid”、“check”。对文件进行检查。5-35、 点击“display”、“Grid”，在对话框中选择“display”。点击显示网格图。如下图所示。5-46、 创建计算模型：设置求解器。如下图所示。5-57、启动能量返程：点击“Define”、“models”、“energy”。进入界面点击“OK”即可。8、使用k-e湍流模型：点击“Define”、“models”、“viscous model”。设置如下图。5-69、 设置材料属性：点击“Define”、“materials.”设置如下图。5-710、对边界设置进行设置：点击“Define”“Boundary Conditions.”打开对话框，对所有边界进行如下设定。5-85-95-105-115-125-13 11、求解初始化：点击“Solve”、“Initialize”、“Initialize.”。打开求解初始化设置对话框。进行如下图设置。设置完毕点击“Init”进行初始化。5-14 12、设置监视器：点击“solve”“monitors”“residual”设置如下图所示。5-15 13、设置完毕点击“OK”。 14、求解计算：fluent进行200次迭代计算得到残差图。5-1615、保存计算结果。16、点击“Grid”、“boundary conditions”。如下图所示。对速度犁胸的运行速度进行设置。 5-1717、点击“inlet”选择“velocity-inlet”。点击“set.”进入流体入口速度设置。在本课题中不同的耕速条件为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s。在下文中笔者将按照顺序一一进行展示。18、设置耕速条件为2m/s时如下图所示。点击“OK”退出界面 5-18 19、点击“display”、“contors.”。按照下图所显示进行设置。 5-1920、点击“display”显示犁胸在耕深30cm，耕速2m/s工况下的压强分布情况。如下图所示，可以清晰的观察到犁胸的胫刃周边部位压强最大。5-2021、重复第4步操作，将耕速改为4m/s。其他不变。如下图所示 。5-2122、重复第5、6步操作，其他不变。得到耕深30cm，耕速4m/s工况下的犁胸的压强分布图。如下图所示。可得到同样的结论及胫刃周边压强最大。5-2223、重复第4步操作，其他不变。将耕速改为6m/s，如下图所示。24、重复第5、6步操作，其他不变。得到耕深为30cm，耕速为6m/s工况下的压强分布图。结果如图所示。显示为胫刃周边压强最大。5-235-2425、重复第4步操作，将耕速改为8m/s。如下图所示。 5-2526、重复第5、6步，其他不变。得到耕深为30m/s，耕速为8m/s工况下的犁胸的压强分布图。结果如下图所示。显示与前三者相同。为胫刃周边压强最大。5-265.3 结果与讨论综合上述fluent软件模拟水平摆式犁犁胸在耕深为30cm,耕速分别为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s的不同工况条件下运行。通过计算机分析计算得到的应力分析图可以基本判断，在犁胸工作的过程中，不论速度大小。应力出现最大的地方总是为犁胸的胫刃部分周围。这也就在模拟的虚拟环境中解释了为什么此区域磨损成为了整个工作部件磨损最大的区域。这样的结果与笔者之前的猜想假设和在互联网上查得的结论是基本一致的。那么为什么犁胸在工作过程中会出现这样的情况呢？在观察犁胸运动的过程中我们发现：在水平摆式犁犁胸向左或者向右运动过程中刃胫在做纵向切割土壤的运动。当犁推动土壤时，土壤在犁胸的推动下到达直立位置时，由于支撑点的变化。土垄的宽深比的极限值将明显减小。这样完成扣垄的犁翼部分的侧向工作阻力明显减小。从而导致施加在刃胫部分的外力得到明显的增大，加剧了此区域的磨损。综合以上的仿真结果我们还可以得到另一个结论：如果想要增强犁胸的使用寿命，需增加其胫刃周边的材料的硬度。以因对此区域相对较大的压力载荷。总 结本课题为在不同耕速下水平摆式犁犁胸的动力学特征分析。笔者通过可视化的虚拟技术模拟在工况为耕深30cm，耕速分别为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s下的犁胸的力学特征分析。1 本课题完成的工作（1）运用solidworks技术平台建立水平摆式犁犁胸的虚拟三维实体。并通过标注、约束和与实物对比验证了建模的正确性。（2）通过运用GAMBIT这一个fluent御用软件对在solidworks中建立的虚拟三维实体进行准确、清晰的网格划分。以及设置水平摆式犁犁胸模拟虚拟的边界。从而使得导出文件可以在fluent中可以得到精准的贴近实际的模拟。（3）运用流体力学知识，在fluent软件中准确的模拟出本课题模拟的实际工况。在fluent中展示了水平摆式犁犁胸在不同工况下所产生的压强。分析所得到的压强分布图，得到结论与实际对比。2 今后的工作笔者通过对不同耕速下水平摆式犁犁胸的力学特征分析后觉得，在此条件下虚拟模拟犁胸的运动进行分析是不够的。接下来的时间里笔者会对不同耕深下水平摆式犁犁胸进行相应的力学特征分析。以期待得到更加准确的关于犁胸在运动过程中磨损的相关原因。并对水平摆式犁做进一步的了解与学习，也希望在此机械上学习到更多的与专业相关的知识。致 谢 通过此次长达三个月的毕业设计，我确实学到了也学会了不少东西。比如solidworks、GAMBIT、fluent、流体力学。能够熟练的并独立的完成一些基本的操作。这些东西都是本科四年里没有接触过的内容。通过这几个月的学习并最终能够撰写出次论文的我觉得，首先我需要感谢我的父母。就像GAMBIT需要在excced创建的环境下才能运行一样。是他们给我创造了这样的环境。在过去长达二十多年来对我的教育以及要求让我走到了今天。此次毕业论文全部为笔者自己撰写，没有任何抄袭，目的也就是用大学四年最后一篇论文来对父母以及自己诠释我的大学。同时也非常感谢朱林老师在这三个月里的悉心指导。虽然在本科四年学习了CAD、CATIA等二维和三维软件，但他们与现在我学习的软件和学科的有存在这巨大的差别。需要非常细心专注的去学习才能做到知其然知其所以然。作为全新的学习领域如果没有一个良好的导师自始至终给我以明示，指引我如何发现问题、思考问题以及解决问题。我觉得我是做不出最后的成果的。朱林老师对我的严格的要求我想对我以后的学习工作是有这巨大的帮助的。最后也要感谢陈曦学长、同组的同学和杨梦秋，在我学习不知所措的时候给我伸出援手，帮助我解决了一个又一个疑惑。我相信也坚信我的大学在你们的支持与帮助下完美落幕。参 考 文 献1、 朱林，陈发，努尔夏提·朱马西，王学农机械虚拟设计中基于特征的实体建模技术的研究新疆农机化，2002（6）2、谭雪松、曹占伦.SolidWorks2007基础培训教程.人民邮电出版社.2008.33、景思睿、张鸣元.流体力学.西安交通大学出版社.2001.74、徐正坦、马金花.流体力学.北京化学工业出版社.2009.15、禹华谦主编.工程流体力学.第2版.成都西南交通大学出版社.2007.36、余巧云、胡红专.机械制图.合肥中国科学技术大学出版社.2006.27、韩占忠、王敬、兰小平.流体工程仿真实例与应用.北京理工大学出版社.2004.68、李进良、李成曦、胡仁喜.精通FLUENT6.3流场分析.北京化学工业出版社2009.99、Wiliam F.Hughes,John A.Brighton:Schanms Outline of Theory and Problems of Fluid Dynamics Authorized translation from the English language edition published by McGraw-Hill,Companies,Inc.10、T.KIM S.J.SONG T.J.LU: Fluid-flow and Heart-transfer Measurement Techniques published by xian jiaotong university.Title Under no tillage condition Analysis of dynamic characteristics of reversible plow plow chest Abstract:Horizontally reversible plow in is one of the important parts of horizontally reversible plow, and its role is using its unique structural features in the working process of reciprocating the soil have turned to the side. In the investigation of the traditional agricultural plow, the author found that the traditional plow can only complete the process of turning over the soil. And two-way reversible plow plow in the moldboard can complete shuttle operation, designed in the shape of moldboard surface into the symmetrical design of the cylindrical approximation. This ensures that all the components in the left turn or right turn of the breast are exactly the same. When the plow chest in the work by the resistance of the soil, friction and other forces will lead to its wear and tear. The author in the SoildWorks drawn plough in the 3D model, the establishment of basic data, again in gambit divided into clear and accurate grid and set the boundary, using FLUENT software to simulate under conditions of virtual operating, is related to the stress parameters are obtained. At last, the mechanical characteristics of the different parts of the breast were summarized. Upon completion of the test into the actual. To prove the reliability of the simulation.Keywords: horizontally reversible plow plow chest, finite element analysis, Solidworks, GAMBIT, fluent