第五章梳齿受力数值模拟与分析梳齿是梳齿式采棉机的核心部件，是梳齿式采棉机主要的研究内容，梳齿的好坏直接影响棉花的采摘效果，由于梳齿在采摘过程中受力复杂，配合影响因素较多，因此本文主要选取梳齿在单个棉杆节点处的受力为梳齿的受力状况，主要分析梳齿在节点处的受力变形问题。
通过ANSYS分析，为梳齿式采棉机采摘部分的优化设计提供理论依据和实验指导。
5.1 基于ANSYS梳齿模型的建立5.1.1 几何模型构建及网格划分ANSYS软件可以用于简单模型的建立，它和其他的二维、三维软件有很好的接口，因此对于复杂的模型一般都是先用PRO/E、SolidWorks、UG等三维造型软件进行建模，对于简单的模型，可以运用CAD、CAXA等二维绘图软件进行建模，然后导入ANSYS进行分析，本文中涉及的梳齿受力的结构比较简单，可以直接用ANSYS软件本身提供的建模工具进行建模。
对于梳齿受力的模拟可以是二维模拟也可以是三维模拟，由于本研究对象结构简单，形状均匀，受力简单，因此可以做些简化。
在建模时采用二维有限元模型并将出棉口按密闭处理，网状输送管道做静态分析，简化后的影响将在第六章分析验证。
本研究主要关心的是梳齿装置受力变形的分布情况，试验证明这样的简化对梳齿影响不大。
在模型生成后，要对梳齿受力区域内进行离散，即有限元网格的生成，网格划分可分为结构化网格和非结构化网格两种。
采用结构化网格易于生成物面附近的边界层网格，且有较多算法和成熟的受力分析模型，但需要较长的物面离散时间，对复杂的外形必须构造不同的网络拓扑结构，无法实现网格的自动生成，费时费力。
非结构化网格消除了结构化网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，能够很好的处理边界问题，适宜于模拟复杂外形[23]，近年来发展迅速，应用较为广泛。
在进行网格划分时要考虑到分离室内的流动特性，进而对网格做适当的调整。
本文对梳齿式采棉机采摘部件的分析面采用非结构化网格划分，并适当对一些边界面进行加密，尽可能保持计算区域和实际流动区域的一致性，通过加密可以捕捉到在某些截面产生的巨大的受力梯度对梳齿造成的显著影响，以保证模拟计算的精度。
建立梳齿的几何模型，整个梳齿的计算区域被划分单元格，生成的模型网格。
5.1.2 主要边界条件本研究中，主要考虑梳齿在受不同种力对梳齿变形的影响，因此，设计不同种力作用形式，其中有梳齿面上的均布力，渐变力，梳齿某点受到的载荷力。
由初步试验经验对梳齿作用力为100N，梳齿间间距为20mm。
表5-1 主要边界条件试验测量数据方案梳齿间距（mm）载荷100N形式1 20 均布载荷2 20 渐变载荷3 20 点载荷5.1.3 ANSYS软件分析设置一、计算内容图5-1 梳齿受力模型如上图所示，梳齿一端固定，另一段受到平行于梳齿截面的集中力F的作用，F=100[N]。
梳齿所用的材料：弹性模量E=2.0 105[MPa]，泊松比0.3。
二、计算步骤1.建立有限元模型。
创建工作文件夹并添加标题；在个人的工作目录下创建一个文件夹，命名为qidandna，用于保存分析过程中生成的各种文件。
启动ANSYS后，使用菜单“File”——“Change Directory…”将工作目录指向qidandan文件夹；使用/FILNAME,qidandan命令将文件名改为qidandan，这样分析过程中生成的文件均以qidandan为前缀。
设定结构分析，操作如下：GUI: Main Menu > Preferences > Structural2.选择单元；进入单元类型库，操作如下：GUI: Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete > Add…对话框左侧选择Beam选项，在右侧列表中选择2D elastic 3选项，然后单击OK按钮。
本步骤也可以用以下命令行形式代替：/PREP7 ! 进入前处理器/ET,1,BEAM3 ! 定义BEAM3单元3.定义实常数；根据单元类型定义实常数，操作如下：GUI: Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete > Add…本例中主要定义梁的截面性质，在IZZ对应的文本框中数据截面惯性矩10000/12。
（注：截面惯性矩公式为Iz=BH3/12其中B为矩形截面的宽，H为高。
）4.定义材料属性；定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下：GUI: Main Menu > Preprocessor > Material Props > Material Models > Structural > Linear > Elastic > Isotropic在弹出的对话框中输入材料参数：杨氏模量(EX): 2.0e5泊松比(PRXY): 0.3该步骤也可以使用以下命令实现：MP,EX,1,2.0E5MP,PRXY,1,0.35.创建实体模型；合理规划模型的坐标可以减少一定的工作量，在本例中，将坐标原点取在梳齿的固定端，将梳齿的方向置放为x方向。
6.创建点：GUI: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS在NPT对应的文本框中输入点的编号为1，在X,Y,Z对应的文本框中分别输入点的坐标0,0,0；同样方式输入编号为2的点，坐标为0,10,0；编号为3的点67,-30,0；编号为4的点，坐标为430,-30,0；编号为5的点，坐标为430,-15,0；编号为6的点，坐标为150,-15,0；编号为7的点，坐标为150,0,0；编号为8的点，坐标为750,0,0；编号为9的点，坐标为750,20,0；编号为10的点，坐标为-40,20,0；编号为11的点，坐标为-246,185,0；编号为12的点，坐标为-40,0,0。
以上步骤可以用命令实现：K,1,0,0,0K,2,0,10,0K,3,67,-30,0K,4,430,-30,0K,5,430,-15,0K,6,150,-15,0K,7,150,0,0K,8,750,0,0K,9,750,20,0K,10,-40,20,0K,11, -246,185,0K,12,-40,0,0连接线：将上面的十四个点连接成面，操作如下：GUI: Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary >Through Kps依次拾取上面的十四个点，即形成梳齿面。
7.划分网格；首先进入Mesh Tools对话框，操作如下：GUI: Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool在Mesh标签对应的下拉菜单中选择Areas，点击Mesh按钮，拾取面。
点击OK。
8.施加载荷并求解。
定义约束；梳齿在左侧的端点具有约束，利用以下操作定义约束：GUI: Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Displacement > OnLine选择梳齿的支撑端点，在出现的对话框右边的选框中选择ALL DOF约束所有自由度，点击OK按钮确定。
施加载荷；GUI: Main Menu > Preprocessor > Loads > Define Loads > Apply > Structural > Force/Moment > On Line选择右边的端点，在出现的对话框Lab对应的下拉菜单中选择FY定义Y方向的集中力，在Value对应的文本框中输入力的值为-100，负号代表Y的负方向。
三、结果分析1、网格划分效果图如图5-2：图5-2网格划分效果图2、梳齿的变形首先考虑将集中力都加载在梳齿面上的情况，变形图如图5-3。
图5-3梳齿的变形图5.2 梳齿受力模拟结果与分析梳齿受到棉杆和棉花的复合作用力，其中梳齿受力变形又以棉杆对梳齿的作用力为主。
获得棉杆对梳齿作用力的状态和规律，是揭示梳齿受力变形的必备条件，充分了解不同状况的棉杆直径、梳齿间距对梳齿受力变形的影响，可以有效的改善梳齿受力状况，获得较优的梳齿组合。
本研究中，采用ANSYS自带的后处理软件进行数值、图形计算分析和结构输出。
1）方案数值模拟结果及分析此方案中梳齿间距为15mm，棉杆直径为10mm，图5-3为梳齿受力变形时各节点处的受力状况图，箭头方向为梳齿受力变形，各节点受力的大小由不同颜色代表，从图中可以看出梳齿中间位置受力比较集中，梳齿组支撑位置为梳齿危险区域，连接梳齿与支撑做处为变形严重区域。
图5-4、图5-5、图5-6为梳齿各节点受力云图，不同颜色交界处的节点受力大小相等。
从分布云图可以看出，总体上梳齿受力变形为梳齿支撑节点处。
在梳齿上可以分为三个区域来研究梳齿受力变形的分布情况。
在梳齿前部，梳齿受力平缓，属于安全区域，其受力分布情况明显弱于梳齿受力变形的力，这样可以对此区域进行优化设计，弱化此处的材料属性，从而使此处获得较优的输送属性。
在梳齿中部，梳齿受到较大的作用力，梳齿受力变形严重，属于梳齿的危险区域，此处应该加强梳齿的材料属性，强化梳齿的刚性，通过增加加强筋等设备，增强梳齿的承载能力。
在梳齿的后部，受力平缓，然而中部的受力变形使此处形成较大的垂直位移，曾加了梳齿的倾斜度，梳齿的倾斜度的变化，对棉花在梳齿上输送的最小力有直接影响，通过设置拉紧或者可调机构，从而降低梳齿后部的倾斜度，可以使棉花的输送更加顺畅。
由图示数值模拟结果可以看出，梳齿危险区域集中分布在支撑处，在支撑折弯处形成较为严重的应力集中现象。
图5-4 方案一受力分布云图3）方案二数值模拟结果及分析图5-5方案二受力分布云图3）方案三数值模拟结果及分析图5-6方案二受力分布云图对比模拟分析可知，梳齿的变现和梳齿的受力状态有直接关系，图5-7为受力分布云图。
图5-7受力分布云图5.3梳齿的模态分析梳齿参数：梳齿长度为1m,表面积为0.03m2,厚度为0.003m,弹性模量2e11pa,密度巍为7850kg/m3，表面均布载荷为1N/m2，根据梳齿设计与安装特点把梳齿看成单支点的悬臂梁，通过Ansys分析软件得到梳齿的二阶、三阶阵型图如图5-7所示：图5-8 模态分析图通过分析可知，梳齿在工作过程中与支点铰接的杆会出现较大的振动性，因此在设计是应该赋予其较大的刚性，从而防止梳齿因反复作用力而出现的振动变形综合以上方案可以看出在模型结构一定，改变梳齿的受力状况对梳齿的受力变形有重要影响。