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1、不同耕速条件下水平摆式犁犁胸动力学特性分析 第 1 页 共 29 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SolidWo
2、rks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
3、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
4、。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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
