本文探討了分析設(shè)計水稻芽種直播機虛擬樣機的研究。

　　0 引言

　　水稻芽種直播機省去了傳統(tǒng)的落谷、拔秧、移栽3道環(huán)節(jié)，減少了常規(guī)栽培的育秧、拔秧和插秧等繁重工作。芽種采用精密直播，節(jié)約良種，減少或省去間苗工時。因此，水稻芽種直播是一種省工、節(jié)本、高效的栽培技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，傳統(tǒng)水稻直播機不適應(yīng)芽種直播，需要設(shè)計一種與農(nóng)藝要求相適應(yīng)的水稻芽種直播機。為了節(jié)省研制成本，縮短研發(fā)周期，通過采用虛擬樣機技術(shù)，設(shè)計了一種基于偏心頂桿式排種器的水稻芽種播種機的虛擬樣機，并對其關(guān)鍵部件進行運動仿真分析和有限元分析。

　　1 虛擬樣機及其分析技術(shù)

　　虛擬樣機及其分析技術(shù)是指用計算機完成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程。它以數(shù)字化的形式虛擬地、可視化地、并行地開發(fā)產(chǎn)品，并在制造物理樣機之前以虛擬原型的形式對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進行分析和仿真，實現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋，及早地發(fā)現(xiàn)和解決問題，減少產(chǎn)品開發(fā)時間和費用。其核心技術(shù)包括三維實體建模技術(shù)和仿真分析技術(shù)。與其相關(guān)的還有計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)、有限元分析(FEA)技術(shù)、驅(qū)動元建模技術(shù)、模型反求技術(shù)、控制系統(tǒng)分析技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)H。

　　實體建模的工具軟件很多。筆者采用Solidworks2005建立的水稻芽種直播機實體模型，用cosmos/motion對排種器的工作過程進行仿真分析，采用cosmos/work對其主梁進行有限元分析。設(shè)計和分析過程如圖l所示。

　　2水稻芽種直播機的虛擬樣機設(shè)計

　　2.1 水稻芽種直播機的設(shè)計方案

　　根據(jù)工作要求，設(shè)計的水稻芽種播種機主要由柴油機、操縱裝置、傳動裝置、播種部件、行走部件機架等部分組成(如圖2所示)。柴油機的動力經(jīng)帶傳動傳給齒輪減速器，減速后動力分為兩路：一路傳給地輪驅(qū)動整機行走;一路經(jīng)萬向節(jié)聯(lián)軸器、錐齒輪傳動、鏈傳動帶動播種器播種。根據(jù)需要可隨時結(jié)合或分離兩路動力，實現(xiàn)整機行走、停運以及排種器的播種運動。

　　2.2水稻芽種直播機的虛擬樣機設(shè)計

　　建立虛擬樣機模型的方法有自下而上和自上而下兩種方法。自下而上就是先建立各個零件的實體模型，然后在裝配環(huán)境下采用配合技術(shù)將各零件組裝成裝配體。采用這種方法建立的零件均是獨立設(shè)計的，模型及零件間的相互關(guān)系較為簡單，設(shè)計時可關(guān)注于單個零件的設(shè)計，而不必建立控制零件大小和尺寸的參考關(guān)系。而自上而下的設(shè)計方法即在裝配環(huán)境下根據(jù)現(xiàn)存零件的特征和尺寸關(guān)聯(lián)建立各個構(gòu)成零件。該方法在對整個裝配體進行修改時，修改某個特征尺寸，其關(guān)聯(lián)零件的特征尺寸相應(yīng)發(fā)生改變，便于部件或整機的系列化以及方案的修改。筆者以自下而上的方法為主建立水稻芽種直播機的虛擬樣機模型，在建立軸系部件和排種器的實體模型時采用了自上而下的方法。

　　建立的虛擬樣機模型如圖3所示。整機由87種共793個零件組成。在各部件和整機裝配好后，均通過軟件自帶的干涉檢查功能，進行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)各零件間結(jié)構(gòu)上的干涉，隨即修改零件的結(jié)構(gòu)尺寸，消除干涉。以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和合理性。

　　2.3虛擬樣機關(guān)鍵部件的運動仿真

　　排種器是水稻芽種播種機的關(guān)鍵部件，主要由進料斗、種量調(diào)節(jié)板、清種毛刷、承種筒、推種桿、偏心連桿、偏心軸和外殼等組成。根據(jù)文獻[7]的分析得知，型孔深度入隨承種筒轉(zhuǎn)角θ的變化規(guī)律為

　　型孔中芽種的絕對速度v為

　　在cosmos/motion仿真環(huán)境下，先設(shè)置與仿真有關(guān)的基本參數(shù)，如力的單位(N)、時間的單位(s)、重力加速度(980N/s2)以及與動畫有關(guān)的楨時間間隔及楨數(shù)，再設(shè)定承重筒為原動件，按60r/min勻速轉(zhuǎn)動，選擇積分器類型(GSTIFF)、最大迭代步長(25)、精度(0.01)，其它選項取默認值，運行仿真得到推種桿的運動參數(shù)的變化規(guī)律(如圖4所示)。由圖3分析得推種桿的運動參數(shù)的變化規(guī)律和理論分析一致：當(dāng)承種筒逆時針轉(zhuǎn)動到θ=159.5°時型孔中的芽種剛好全部排出，此時芽種的絕對速度為0.3 14m/s，加速度為0.451 m/s2。

　　2.4關(guān)鍵零件的有限元分析

　　虛擬樣機采用乘坐式，操作者的體重和座椅本身質(zhì)量均由兩根主梁承擔(dān)。兩根主粱均擬用Φ32×2.5的無縫鋼管折彎而成，筆者用有限元法對它進行強度分析。由于整機設(shè)計行走速度僅2m/s，動載荷不大，僅對主梁進行靜強度分析。

　　為了節(jié)省計算所用時間，按400N壓力加載在一根主梁上進行分析。直接采用虛擬樣機中主梁的實體模型，材料取普通碳鋼，主要性能參數(shù)的取值分別為：彈性模量E=2.1×1011 N/m2，泊松比A=0.28，抗剪模量G=7.9×1010 N/m2，屈服強度盯，=2.21×108N/m2，抗拉強度σs=3.99×108N/m2，密度P=7800kg/m3。將主梁兩端添加固定約束，在中間水平位置施加垂直向下的壓力400N。選用SOLDl64實體單元網(wǎng)格，對主梁共劃分出52998個網(wǎng)格單元，81 137個節(jié)點。采用FFEPlus解算，可得到主梁應(yīng)力、應(yīng)變、變形、位移等的云圖和分析報告。主梁的應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。由圖5可見，最大工作應(yīng)力發(fā)生在主梁前端得下部(65.325，-7.529，-14.118)處，最大工作應(yīng)力為2.916×107 N/m2，小于屈服強度，安全系數(shù)為7.6，強度足夠。

　　3結(jié)論

　　1)采用虛擬樣機技術(shù)建立了水稻芽種直播機的虛擬樣機模型，并對裝配體進行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉，及時修改零部件的結(jié)構(gòu)，消除干涉，以節(jié)約研制成本，縮短研制周期。

　　2)對關(guān)鍵部件排種器進行運動仿真，驗證機構(gòu)運動的可行性以及理論分析結(jié)果的正確性，為下一步對芽種的充種和排種過程的仿真分析提供了初始參數(shù)。

　　3)對主梁的靜強度有限元分析表明：主梁的強度足夠，危險部位在主梁前端的下部。試制物理樣機時可在該處用加強筋加強。