武漢市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 盧澤民 王銳 杜錚 廖劍 舒虹杰 秦彩

多層苗床立體架有限元分析與研究

武漢市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 盧澤民 王銳 杜錚 廖劍 舒虹杰 秦彩

多層苗床立體架屬于大跨度框架結(jié)構(gòu)，承受載荷后，會(huì)發(fā)生變形，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮強(qiáng)度因素外，重點(diǎn)要校核結(jié)構(gòu)的剛度。本文利用solidworks建立多層苗床立體架三維設(shè)計(jì)圖，并直接應(yīng)用solidworks軟件中的solidworks/simulation插件模塊對(duì)立體架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了工作狀態(tài)下多層苗床立體架的應(yīng)力和變形，并通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)對(duì)其剛度進(jìn)行了比較和分析，保證了使用的安全性和可靠性。

多層苗床；立體架；solidworks/simulation；應(yīng)力；變形

0 引言

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，規(guī)?；缙鹬匾饔?。目前，固定苗床和移動(dòng)苗床是育苗的主要載體，其育苗層面只有一層，溫室空間利用率偏低，單位空間育苗面積少，育苗產(chǎn)出率不高等問題，嚴(yán)重制約著育苗產(chǎn)業(yè)乃至設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

為了克服現(xiàn)有的技術(shù)不足，本文設(shè)計(jì)了一種溫室育苗多層苗床。多層苗床立體架由多個(gè)跨度單元連接而成，每個(gè)跨度距離為4 m，是承受載荷的主體，相對(duì)于其材料厚度尺寸而言，立體架構(gòu)件屬于大跨度柔性結(jié)構(gòu)，且易其受到重載的影響，因此需要分析其強(qiáng)度和剛度，驗(yàn)算使用的安全性和可靠性，為設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)[1]。

1 多層苗床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層苗床由抽屜式床面和立體架兩大部分組成。抽屜式床面由苗床邊框結(jié)構(gòu)組成，苗床邊框?yàn)閷Ｓ娩X合金型材，托網(wǎng)為熱鍍鋅鋼絲，支架為熱鍍鋅型鋼，苗床最大承載50 kg/m2。立體架由立柱、橫梁、縱梁、加強(qiáng)筋、連接板等組成3層框架結(jié)構(gòu)，縱向立柱間隔4 m為一個(gè)跨度單元，每層結(jié)構(gòu)縱梁間安裝有滑道，便于抽屜式床面能兩邊移動(dòng)一定距離（即抽出的距離），立體架主要承受抽屜式床面及其承載物的重力載荷。如圖1和圖2為一個(gè)兩跨度的多層苗床和立體架三維圖。

圖1 多層苗床三維圖

圖2 多層苗床立體架三維

2 多層苗床立體架的分析與研究

2.1 立體架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體架立柱采用30×30×2(mm)的矩形方管，長(zhǎng)度為1500 mm，由于立體架一個(gè)跨度間距為4 000 mm，屬于大跨度尺寸，縱梁采用50×30×2(mm)的矩形方管，同時(shí)為了減少大跨度剛度變形，縱梁截面方向沿抗彎矩方向與立柱放置連接，如圖3所示。橫梁也采用50×30×2（mm）的矩形方管，立柱底部加強(qiáng)筋采用30×30×2（mm）矩形方管。

圖3 縱梁截面連接放置剖面圖

2.2 立體架有限元模型建立

基于solidworks的有限元分析求解過程中，在solidworks環(huán)境下進(jìn)行建模，利用solidwork的插件工具solidworks/simulation進(jìn)行有限元分析，能夠有效實(shí)現(xiàn)三維軟件與分析計(jì)算軟件之間的數(shù)據(jù)共享和自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在生成的集合模型上直接定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷并進(jìn)行求解[2]等。

（1）建立三維模型，多層苗床立體架可由多跨組成，分析過程中，為了減少建模和分析計(jì)算時(shí)間，本文以一跨立體架為研究對(duì)象；同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理，忽略一些局部特征[3]，得到三維簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 三維簡(jiǎn)化模型

（2）定義立體架的材料屬性，立體架材料為普通碳鋼，從材料手冊(cè)中查得其彈性模量E=200 GPa，泊松比=0.3，材料密度為7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度為=220 MPa。

（3）定義邊界條件，在有限元靜力分析過程中，必須采用足夠的約束穩(wěn)定模型，在本文中，立柱與地面固定，自由度約束為零，選擇立柱底部的4個(gè)面，對(duì)底部進(jìn)行固定約束，如圖5所示。

圖5 添加約束

（4）添加載荷，對(duì)立體架施加載荷，立體架滑道內(nèi)承受苗床邊框重量、育苗重量和苗床邊框盛水后的重量3部分載荷組成。每層苗床滑道4個(gè)區(qū)域承受載荷，相當(dāng)于集中力載荷加載在此處，根據(jù)計(jì)算可得，每層承受4 000 N豎直載荷，如圖6所示。

圖6 施加載荷

（5）對(duì)立體架進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分時(shí)，單元的多少影響運(yùn)算速度和結(jié)果精度。本文對(duì)立體架進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分[4]，采用高品質(zhì)網(wǎng)格單元，單元大小為30 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為127 879個(gè)，單元總數(shù)為68 645個(gè)。立體架網(wǎng)格劃分模型如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分模型

2.3 有限元的求解和分析

通過建模、定義邊界、施加載荷以及劃分網(wǎng)格后，在solidworks/simulation中選擇運(yùn)行選項(xiàng)，進(jìn)行靜力學(xué)分析，經(jīng)過solidworks/simulation分析計(jì)算[5]，最后得到立體架的等效變形云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖8和圖9所示。

圖8 等效變形云圖

圖9 等效應(yīng)力云圖

從圖7等效變形云圖中可以得出，最上層縱梁在中點(diǎn)處變形最大，最大等效變形為13.7 mm，小于設(shè)計(jì)變形量[V]=20 mm。從圖8等效應(yīng)力云圖中可以得出，立柱與最上層縱梁連接處應(yīng)力最大，最大等效應(yīng)力為180 MPa，小于許用應(yīng)力[]=220 MPa。從圖中分析可得，當(dāng)立體架承受載荷時(shí)，立體架變形和應(yīng)力在設(shè)計(jì)的工作剛度和強(qiáng)度范圍內(nèi)，保證了使用的安全性和可靠性。

3 多層苗床立體架的變形實(shí)測(cè)試驗(yàn)

從上述有限云分析結(jié)果圖9可得，立體架所受最大等效應(yīng)力小于其許用應(yīng)力220 MPa，滿足強(qiáng)度要求。但大跨度柔性構(gòu)件縱梁剛度變形較大，因此需要實(shí)測(cè)6根縱梁實(shí)際工作時(shí)的變形效果。本文對(duì)多層苗床立體架縱梁進(jìn)行試驗(yàn)地點(diǎn)為武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所武湖基地試驗(yàn)工廠內(nèi)，縱梁從上而下，從里到外進(jìn)行實(shí)測(cè)編號(hào)，通過實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對(duì)照如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對(duì)照表

經(jīng)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)均比較接近，各數(shù)據(jù)試驗(yàn)最大誤差均不超過6%。最上層的縱梁變形最大，最下層的縱梁變形最小，這是由于立柱30×30×2（mm）矩形方管長(zhǎng)度達(dá)1 500（mm），在立體架中屬于桿件結(jié)構(gòu)，離地面越高，受力后越容易失穩(wěn)變形，從而使得連接處的縱梁變形也越大；相反，最下層離地面最低，并且有加強(qiáng)筋的保護(hù)，受力后連接處的縱梁變形相對(duì)小些。

4 結(jié)束語

運(yùn)用solidworks/simulation有限元分析方法，對(duì)多層苗床的立體架件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，研究了受力狀態(tài)下立體架的應(yīng)力和變形，并通過實(shí)測(cè)試驗(yàn)對(duì)剛度進(jìn)行了比較，分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，立體架構(gòu)件強(qiáng)度和剛度能滿足使用和設(shè)計(jì)要求，保證了其安全性和可靠性，同時(shí)也為后期進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

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2010-07-10）