建立残膜机三维模型并运用ANSYS进行强度分析及参数优化很好很全.docx
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建立残膜机三维模型并运用ANSYS进行强度分析及参数优化很好很全
新疆大学毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
棉花残膜机主要部件凸轮轴及杆齿组合的强度分析及参数优化
指导老师:
王春耀
学生姓名：
赵忠立
所属院系：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化专业
班级：
机制023班
完成日期：
2006年6月9日
毕业论文（设计）任务书
论文（设计）题目：
建立残膜机三维模型并运用ANSYS进行强度分析及参数优化
专题：
残膜机主要部件凸轮轴及凸轮的强度分析及参数优化
论文（设计）来源：
教师科研
要求完成的内容：
1．查询、阅读资料（1周）
2．应用ANSYS软件建立残膜机主要部件凸轮轴、凸轮及杆齿组的三维模型（2－5周）
3.对该构件进行理论分析及参数优化（6－7周）
4．撰写毕业论文（7－8周）
5．提交毕业论文、装配图及答辩（9－11）
摘要
本文分析了目前残膜回收及残膜回收机的现状和存在的主要问题，指出了残膜回收的紧迫性、重要性,以及CAD技术在农业机械领域中的应用。
对4JSM—1800棉秸杆切碎及残膜回收联合作业机的主要工作部件——滚筒机构（挑膜齿组及凸轮轴）进行工作原理及结构的理论研究。
以ANSYS软件为技术平台，主要对挑膜齿组及凸轮轴进行了三维建模、强度分析及参数优化。
通过对主要部件的强度分析，研究挑膜齿组及凸轮轴的应力及变形情况，并且通过得到的数据进行结构的优化。
关键词：
残膜回收；弧形挑膜齿；结构优化；强度计算；ANSYS
ABSTRACT
Inthispaper,itisanalyzingthepresentconditionsandthemainproblemoftheexistencesoftheplasticfilmresiduecollectinganditscollectorandpointingouttheurgencyoftheplasticfilmresiduecollectingandthemainsubstanceoftheCADtechniquewhichisusedintheagriculturalmachineryterritory.Wehavestudiedtheoperationprincipleandstructurecharacteristicofthemachinecylinder,whichisthekeyworkpartsofthe4JSM—1800typecottonstem-cuttingandplasticfilmresiduepicking-up’steamwork.BytheuseofaThree-dimensionaldesignsoftware—ANSYS,wecandesignthepartsofthemachinecylinder，analysetheintensityandoptimizeitsparameter.Basedontheintensityanalysisofitsmainparts,wecanresearchthestressandcontingency，thenoptimizethestructurewithhelpofacquireddata.
KeyWords：
plasticfilmresidue-collecting;arcspring-finger;theoptimizeofthestructural;intensitycalculation;ANSYS
目录
摘要4
ABSTRACT4
1绪论7
1.1地膜覆盖种植技术的发展概况7
1.2地膜覆盖带来的“白色污染”7
1.3残膜机研究的意义9
1.4农业机械的现状9
1.5国内外残膜回收技术研究现状10
1.6课题来源、研究方法及目的11
2软件介绍12
2.1CAD技术的发展12
2.2CAD发展趋势12
2.3.1ANSYS的发展历史14
2.3.2ANSYS软件概述14
2.3.3ANSYS软件的模块介绍14
2.4.1有限元法的发展史16
2.4.2有限元法的原理16
2.4.3划分网格注意事项17
2.5有限元的发展19
3残膜回收机滚筒的工作原理及结构分析20
3.1圆弧型挑膜齿机构的工作原理20
3.2弧行挑膜齿滚筒的结构分析21
3.2.1滚筒一周上排齿量的确定21
3.2.2弹性挑膜齿齿间距的选定及实际配齿法22
3.2.3滚筒直径和转速的确定23
4基于的ANSYS建模25
4.1挑膜齿组的建模过程25
4.1.1定义工作文件的目录、文件名和工作标题25
4.1.2定义单元类型25
4.1.3创建三维模型26
4.2凸轮轴建模33
4.2.1凸轮轴的组成33
4.2.2凸轮轴的建模过程33
5基于ANSYS的强度求解与分析35
5.1挑膜齿的受力计算35
5.2挑膜齿组的强度求解36
5.2.1划分网格36
5.2.2加约束38
5.2.3加载荷39
5.2.4求解39
5.2.5查看求解结果39
5.3结果分析与动态仿真42
5.3.1结果分析42
5.3.2挑膜齿组的动态仿真45
5.3.3结论45
5.4凸轮轴的强度求解46
5.4.1凸轮轴的求解46
5.4.2结果分析46
5.4.3凸轮轴的动态仿真48
5.5结论48
6全文总结49
6.1本论文的结论49
6.2存在的问题与展望49
致谢50
参考文献51
1绪论
1.1地膜覆盖种植技术的发展概况
地膜覆盖种植是一项大幅度提高作物单产的切实可行的新型技术，在国内外均得到了广泛的应用。
欧、美、日等发达国家从50年代就开始逐步将铺膜种植技术应用于蔬菜及经济类作物。
日本的地膜覆盖栽培技术研究早，普及快，应用作物种类多，栽培水平高，增产增收效果显著。
美、德、法等国在地膜覆盖种植技术的研究及新型覆盖材料开发方面也做了大量工作．如对覆盖材料的开发，研究了改变地面覆盖小气候和土壤条件的农田保苗覆盖膜，并开发了加入杀菌剂的防病杀菌膜和由遇水分解的纤维素材料组成的多孔性薄膜片及光降解地膜等。
我国从7O年代开始将地膜覆盖种植技术应用于蔬菜生产，80年代开始应用于棉花、花生等经济作物，近年来又将这一技术推广到玉米栽培上，解决了寒冷和干旱地区作物增产困难的问题，从而开始大面积推广应用，预计10年内可发展到600多万km2，地膜覆盖种植技术增加了有效积温，相对延长了作物的生育期，可以广泛采用中晚熟品种，使品质和产量大幅度提高，同时使各种作物的适作区向北推移、扩大，更有效地利用国土资源。
地膜覆盖的保墒效果，使作物根系深扎，也是一项抗旱措施，对于有效利用水资源、发展我国旱地农业有着重要的战略意义。
目前新疆、山东、山西、内蒙古、黑龙江、陕西、甘肃等寒冷和干旱及半干旱地区，地膜覆盖种植不仅应用于棉花、花生、甜菜、烤烟等经济作物以及蔬菜和瓜果，而且已推广到玉米等粮食作物，总面积达300万km2。
其中玉米、棉花应用地膜面积都超过100万km2。
据调查，采用铺膜种植后，玉米单产可提高30%～8O%，棉花可提高30%～70%我国玉米种植面积达2000万km2，如有20%应用这一技术，以单产提高30%约l350kg估算，总产可增加540万吨，相当于增加120万km2。
粮田、棉花种植面积为533万km2，平均单产900kg，若其中35％采用地膜覆盖种植，以每公顷增加300kg估算，总产提高56万吨，等于增加56万km2棉田[1]。
二十多年来，农用地膜的大面积应用，对新疆农民增收、农业增产以及农村经济的发展起到了巨大的推动作用。
地膜覆盖栽培技术具有节水抗旱、增温保墒、防除杂草、节本增效、提高作物产量等诸多优点，对于利用有限的水资源，发展旱地农业有着重要的战略意义。
1.2地膜覆盖带来的“白色污染”
“白色污染”已成为一个众所周知的新型名词。
那么，到底什么是“白色污染”呢？
“白色污染”主要指白色的发泡塑料饭盒，各种塑料袋，农用地膜等给环境造成的污染。
“白色污染”物的主要成分为：
聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PV）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯树脂（PS）。
在这些污染物中，还加入了增塑剂，发泡剂，热稳定剂，抗氧化剂等。
“白色污染”的危害：
塑料地膜废弃物在土壤中大面积残留，长期积累，造成土壤板结，影响农作物吸收养分和水分，导致农作物减产；抛弃在陆地上或水中的塑料废弃物，被动物当作食物吞食后，会导致动物死亡；进入生活垃圾中的塑料废弃物质量轻、体积大，很难处理。
如果将它们填埋，会占用大量土地，而且，在很长一段时间内难以分解；部分的塑料含有毒性，如果用作餐具或食品包装的材料，这样对人体的健康不利；使臭氧层变薄。
采用地膜覆盖种植技术虽可提高作物产量，但若不能将田地里的残膜及时回收，不仅会导致环境污染，对农业生产本身也将构成严重危害[3]。
当前全球范围内正在积极推行的可持续发展战略[4]，对于解决我国人多地步、土地资源紧缺的问题尤为重要。
人口不断增多、人民生活水平逐步提高，对粮食的需求也将扩大，农业生产必须持续、稳定、健康地发展，才能满足这一要求。
残膜回收问题是制约农业生产持续发展的重要因素之一。
目前我国政府及一些农业生产部门已开始投入人力、物力和财力来解决残膜回收问题；但从总体来看，由于我国地膜覆盖种植面积广，铺膜年限长，残膜回收处理又不及时，农村废残膜数量剧增，不少地方出现了“白色污染”遗留在土壤中的残膜沉积为害，给生态环境、土壤结构、作物生长发育造成严重影响，特别是在新疆。
新疆是地膜覆盖栽培技术在农业生产中应用最广泛的省区。
由于农业生产中大量和长期的使用农用地膜，不能全部及时回收，年复一年累积在土壤中使耕地遭到严重的“白色污染”。
残膜在土壤中形成阻隔层影响根系的发育和均匀分布、阻碍作物对水分和养分的吸收、影响种子发芽、出苗，造成烂种、烂芽，使幼苗黄瘦甚至死亡，对农业生产本身构成严重危害，给生态环境也造成很大损害。
据估计，迄今为止，全国耕地中的残膜已超过100万吨。
残膜回收问题已引起人们的极大关注。
废膜残留造成的影响主要有4个方面：
1）对农田周围环境的污染。
在许多地区，田地里未回收的残膜被风吹散后，挂附在农田周围的篱笆、树枝、电杆上，飘到地头、路旁、沟边等处，对周围环境构成污染。
2）严重影响机械作业。
据调查，废膜主要残留在农田的0～20cm的浅耕层内，约占总残留量的80%。
残留废膜易缠绕犁铧，严重影响整地质量；大量残膜还易堵塞播种机，造成播种不均匀，影响播种质量。
3）影响作物生长发育，降低作物产量。
种子播在残膜上会因吸收不到养分和水分而不能发芽，造成烂种，或发芽后因吸收不到水分而枯死。
据调查，连续覆膜种植3～5次的田地，小麦产量下降2%～3%、玉米产量下降l0%左右、棉花下降l0%～l5%[5]4）牲畜误食引起病害或死亡。
花生秧是良好的饲料，但花生起收时，在花生秧带有的地膜占残膜的20%～25%，给饲料加工带来很大不便，也影响了饲料的品质。
家畜食用了含残膜的叶子和秸秆后会引起肠道疾病，严重时可造成死亡。
目前新疆在农田残膜回收工作中其数量最大的是棉田。
由于新疆现已普遍应用宽膜植棉技术，每年都将新产生约6-8万吨残膜。
据有关部门调查测算，棉花种植老区土壤耕层残留废膜每亩可达20多千克，而且还在不断增长，对农业生产的危害逐步加重。
如果不积极采取措施加以扼制，若干年后土质严重恶化，农产品质量下降，土地将无法种植，后果不可想象[2]。
自地膜覆盖技术使用后不久我国农机科研人员就开始针对残膜回收技术和机具展开研究，经过十几年的努力我国已研制出二十多种残膜回收机，其中有几种较为成功，但目前从总体上看残膜回收机具的推广应用并不尽人意。
究其原因首先地膜太薄、强度太差，加上土地中作物残茬、杂草太多，地膜与土地的亲和力较强，膜土难以分离，给地膜的捡拾造成很大困难；再者残膜回收是一项社会效益大而短期经济效益不明显的工作。
同时苗期残膜回收也受到农艺的限制，比如膜下滴灌技术的推广，给苗期收膜带来困难。
此外有些残膜回收机具存在如结构复杂，可靠性低或者调整使用不方便等内在缺陷[6]。
基于上述原因及现象就可以看出：
研发和改进残膜回收机是必要的，也是必须的，对于它的开发前景是光明的。
当然我今天所做的工作不是并不是进行研发，而是对残墨机结构的建模、强度分析及参数优化。
我认为这是一件有意义的事，可以为改进残膜机的性能、简化它的结构提供非常重要的数据。
1.3残膜机研究的意义
为了有效地减少或消除耕作土壤中的白色污染，通过在农业生产耕作中推广机械化苗期残膜回收、机械化农作物收获后残膜回收和机械化可降解生物地膜应用等技术，减少和消除耕作土壤中残留地膜对农业生态环境的危害，同时为农业经济效益的持续发展提供保证。
况且人工捡拾地膜存在劳动生产率低、劳动强度大、耗工、费时等缺点，因此推广残膜回收机械化生产技术具有十分重要的现实意义。
1.4农业机械的现状
农业机械化是农业现代化的主要内容和重要标志。
一个国家农业是否实现现代化，关键在于这个国家农业机械化的程度如何。
随着世界经济、科技的发展，我国的农业机械化水平也取得了很大提高，但现在国际经济趋于全球化，我国也即将加入世界贸易组织，我国的农机行业正面临着严峻的考验。
我们必须认清我国农机发展薄弱环节，积极寻求农机发展新的方向，才能充分发挥农业机械化在建设我国现代化农业中主力军的作用。
经过多年的努力，我国的农业机械化已经取得了长足的进展，主要体现在：
适应社会主义市场经济的农业机械化发展机制已经基本形成；农业机械拥有量快速增长，农业机械化水平持续提高，结构不断优化；农业机械化适用新技术推广面积迅速扩大，加快了农业技术进步和高效优质高产的步伐；农业机械化服务体系不断完善和壮大，有力地支撑了农业机械化快速健康发展；虽然我国农机化水平已经有了较大提高，但与国外发达国家相比，仍然有较大差距。
要想改变我国农业机械化的现状就必须了解农业机械的设计现状并掌握先进的设计方法。
中国的农业机械行业起步较晚，设计技术的整体水平还处于经验设计时期，还主要以技术模仿、降低零部件的成本（提高国产化率）为主；CAD/CAE技术、虚拟设计、优化设计等现代化设计技术还处于水平较低的普及阶段。
这种状况是导致企业、科研部门自主开发能力不强，技术创新能力不足，缺乏市场有力竞争的原因之一。
计算机和信息技术的进步及其各种先进软件的出现，促使农业机械现代化设计向着虚拟设计、优化设计等先进技术应用的方向发展。
CAD/CAM/CAE技术的不断成熟，使农业机械产品的设计水平和开发质量，缩短开发周期，为跨越工业发达国家几十年曾走过的发展阶段，赶超世界先进水平提供了一条捷径。
1.5国内外残膜回收技术研究现状
残膜回收处理问题是世界各国面临的一个棘手问题。
日本对废旧农膜的回收处理情况相对好一些；因为那里覆盖地膜的土壤主要是火山灰土，土质疏松，便于揭膜，而且地膜强度大、覆盖期相对较短（1.5～3个月），清除时可保持较大片块，用地膜缝合机缝合所铺地膜，不用土压膜，也利于收膜。
以色列是研究残膜回收机起步较早的国家之一，主要用收卷机来回收残膜，效果较好；因为以色列所用地膜较厚（1.5mm），强度高，而且对于大田作物，铺膜主要用于帮助种子发芽出苗期的保墒保温，作物出苗后即开始收膜，地膜在田间停留时间较短，有足够强度保证收卷时不会破碎[7]，易于整膜回收再利用。
欧美国家为防止残膜造成的危害，一方面推广使用高强度、耐老化地膜以便回收，另一方面，积极开发研制新型地膜，如可降解地膜，使残膜经一定时期自动分解成无害物质混入土壤；但其价格偏高，目前还不能推广用于大田作物，仅对经济价值较高的蔬菜等作物应用较好。
我国残膜污染问题相对较严重：
一方面低成本地膜偏薄（有的厚度仅0.5mm），强度差[1]，另一方面由于我国多数地区是作物收获后收膜，地膜在田间停留时间较长，易破碎，并且主要依靠人工回收残膜，劳动强度大，成本高，碎膜不能有效回收。
我国一些铺膜地区根据当地具体条件研制了不同形式的残膜回收机。
比如：
①1SM-5型密排弹齿残膜回收耙：
新疆农垦总局研制的这种机型，作业幅宽5m，前后双排弹齿100根，由小四轮拖拉机悬挂作业，用于播种前对土层内的残膜回收。
它只能回收大块残膜，对碎膜则无能为力。
②SMJ-2型地膜回机：
工作时先切断作物粗根，松动地膜，四组搂齿盘将棉秆和地膜搂集成条后，用特制的大耙将集成条的残膜人工搂成堆，再装车拉出地外。
③JM-1型废膜回收机：
适用于中耕与揭膜联合作业，是一种收卷式工作机械。
当棉花株高超过500mm时，枝冠封垅会导致其作业速度大大降低。
另外，它还要求铺膜机作业时在种行处打两排孔，揭膜时又常不能沿孔将膜揭开，影响回收效果。
④IMS-800型滚筒式收膜机[8]:
由山西省农机研究所和山阴县农机局研制，主要用于大根茬地（如玉米地）残膜的回收。
该机动力消耗大，残膜回收率低。
这些机具存在的主要问题是不能有效地将小块碎膜回收，回收效果差。
有的机具结构复杂，工作可靠性差，也有的需要过多的辅助人工，劳动效率低。
以色列的A.V.I公司研制了一种用于回收苗期地膜的类似于JM-1型的收卷式回收机。
该机工作时，液压马达驱动收卷工作部件，同时控翩收卷部件的转速与拖拉机行进速度相适应。
一个作业行程可同时回收四幅地膜；但这一机型不能用于回收作物收获以后的残膜，尤其是对于我国的农膜偏薄，作物收获后的地膜极易破碎，收卷时容易断裂，影响机器的连续工作，无法得到广泛的应用。
由于残膜在土壤覆盖的时间相对较长而风吹日晒老化较碎、破损大，因此残膜回收是世界各国都面临的一个棘手问题。
英国和前苏联采用悬挂式收膜机工作时松土铲将压膜土耕松，然后将薄膜收卷到羊皮网或金属网上，收下的膜清洗干净卷好备用。
日本对旧农膜的回收处理相对好一些，主要原因一是日本覆盖地膜的土壤主要是火山灰土，土壤疏松易揭膜；二是地膜较厚强度大、覆盖期相对较短，清除时可保持较大片块；还有一种地膜缝合机铺地膜，不用土压膜以利于收膜，收膜时缠绕扎在地膜两边的绳索将地膜卷起[9]。
从总体来看欧美及日本，以色列等国家为防止残膜造成的危害、便于回收，一方面推广使用高强度、耐老化地膜；另一方面积极开发研制新型地膜，如可降解地膜残膜，使残膜经一定时期自动分解形成无害物质而混入土壤中；但其价格偏高，目前还不能推广用于大田作物，仅对经济价值较高的蔬菜等作物应用较好。
国内在研制残膜回收机的同时，也研制出一些新型降解农膜如生物降解膜、光降解膜和双降解膜等但因其成本过高或其它原因均未大面积推广使用。
国内残膜回收技术及机具按照农艺要求和残膜回收的时间分为苗期揭膜机械、秋后回收机械、耕层内清捡机械和播前回收机械，以及利用常规机具改装附加回收残膜装置等类型。
经过十几年的研究我国虽已研制出二十多种残膜回收机并且有几种效果较好，但还没有一种为农民所广泛接受。
相对于传统农机具如犁耙以及播种机等来讲残膜回收机理论上几乎还处于空白，实际机型还处于初步研究探索试验阶段。
从我国已有机型来看苗期揭膜已取得了一定成果，苗期揭膜只适用于水源较充足地区的部分作物。
而我国北方的大部分地区为干旱少雨区，近年来推广的滴灌管道布置在地膜下面，因此苗期揭膜不可能在我国大面积推广开来使用。
耕层内残膜回收机和播前耕整地残膜回收机虽然结构简单成本低，但残膜回收率不高，只能作为辅助方式辅助残膜回收。
利用常规机具改装回收残膜，成本低但需要的辅助人员过多、回收率低，工作环境恶劣，工作强度大，从长远来看不是残膜回收的长久之计[10]。
1.6课题来源、研究方法及目的
该课题来源于国家自然科学基金项目资（项目编号：
50375131）
（“九五”国家重点科技攻关计划项目）——弧形挑膜齿残膜清理滚筒的运动学原理及工艺结构研究。
该项目由新疆农科院农业机械化研究所、新疆大学机械学院及新疆农业大学三家联合承接。
本课题是在新疆农业科学院农机化研究所研制的4JSM--1800棉秸杆切碎及残膜回收联合作业机基础上，针对机具的核心部件——滚筒部件进行研究分析，结合对弧形挑膜齿滚筒机构的工作原理及结构的理论分析，利用ANSYS软件对凸轮轴及凸轮的强度分析，从而为滚筒结构简化及参数优化提供必要的有利数据。
2软件介绍
2.1CAD技术的发展
随着信息技术在个领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到了广泛的应用，从根本上改变传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术改造、带动整个产业结构的改革、发展新兴技术、促进经济增长都具有十分重要的意义。
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术产生于19世纪50年代后期。
CAD技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容，是一种设计人员借助于计算机进行设计的方法[10]。
作为当代杰出的工程技术成就,已广泛地应用于工程设计的各个领域。
CAD在机械制造行业的应用最早，使用也最为广泛。
目前其主要的应用涉及到机械、电子、建筑等工程领域。
世界各大航空、航天及汽车等制造巨头不但广泛采用CAD/CAM/CAE技术进行产品设计，而且投入大量的人力、物力及资金进行CAD/CAM/CAE软件的开发，以保持自己在技术上的领先地位和国际市场上的优势。
CAD技术将人的创造能力和计算机的高速运算能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。
在机械设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出、综合分析比较与优化，工程图样及生产管理信息的输出等，均可由计算机完成。
设计人员则可对计算、处理的中间结果作出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。
计算机辅助设计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。
目前，在我国正受到企业的欢迎和重视，逐步获得推广应用。
大幅度地提高了产品的设计效率和质量,将设计人员的精力从繁琐的绘图,查手册等重复性劳动中解放出来,成为现代工业中必不可少的主要技术手段。
从60年代的二维平面图形设计开始,CAD经历了70年代的交互式图形技术、三维线框系统及绘图系统,80年代的三维实体造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析和仿真,90年代的参数化设计、特征造型、CNC代码生成及刀具轨迹仿真等发展过程[11]。
随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。
微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。
Pentium处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。
在2D市场上占绝对优势的是Autodesk公司的AutoCAD软件。
3D市场的主流软件Unigraphics、Pro/Engineer、AutoCAD、SolidEdge、SolidWorks、I-DEAS及CimatronCAD等。
2.2CAD发展趋势
标准化：
CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠
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