钟寿洋，张德晖，张 翔
（福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002）
摘 要：挖掘铲是马铃薯收获机的关键部件之一，其性能参数的好坏直接影响到机具的挖掘效果.针对目前马铃薯挖掘铲设计及改进效率低的问题，开发出马铃薯挖掘铲参数化设计系统，该系统以VB为开发环境，通过SolidWorks及其提供的API函数，实现了挖掘铲的参数化建模及装配；利用ANSYS及其提供的APDL函数，实现了挖掘铲的参数化有限元分析，并通过VB建立了交互式用户窗体，极大的方便了设计者对马铃薯挖掘铲的设计与改进，提高了设计效率.
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关键词 ：挖掘铲；VB；SolidWorks；ANSYS
中图分类号：S23；TP311文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）08-0026-03
基金项目：东南烟区烟叶生产机械化关键技术装备研究与开发.中烟办【2010】2号（110200902076）；闽烟司科【2012】2号（2012（048））
马铃薯已成为我国继稻米、小麦、玉米之后的又一主粮，但我国马铃薯收获的机械化水平低，特别是适用于丘陵地区的马铃薯收获机还很少，大多还是人工挖掘[1,2].挖掘铲是马铃薯收获机的重要部件之一，它由铲片及铲架等组成，其主要功能为挖掘薯块，并将薯块输送至分离装置[3].挖掘铲的结构参数对机具的挖掘效果影响很大，工作时既要挖掘出所有薯块，将薯块顺利输送至分离部件，又要尽量降低机具的动力消耗[4]，设计出一个符合要求的挖掘铲需进行大量田间试验及修改，在传统的设计方法中，挖掘铲的每一次改进都需重新进行人工建模及有限元分析.因此，将虚拟现实技术应用在农机的仿真中，通过VB、SolidWorks、ANSYS软件及其二次开发模块设计出马铃薯挖掘铲参数化设计系统，该系统具有便捷的用户界面，它可以根据用户所输入的尺寸参数对挖掘铲进行参数化三维建模，以及根据用户所输入的材料特性及载荷等参数进行参数化有限元分析，并对挖掘铲进行自动装配，该系统极大的提高了挖掘铲设计和改进的效率.
1 系统设计流程
马铃薯挖掘铲参数化系统包括参数化建模、参数化有限元分析及自动装配模块.系统通过SolidWorks进行建模及装配，采用ANSYS进行有限元分析，并利用VB编制用户窗体.用户在建模窗体中输入相应的尺寸参数，系统便会驱动SolidWorks建立对应的马铃薯挖掘铲的零件模型，用户在有限元分析窗体中输入相应的材料参数，系统便驱动ANSYS对零件进行有限元分析，并显示分析结果.零部件设计完成，便可通过建模窗体自动完成建模.其流程图如图1所示.
2 挖掘铲的参数化建模
Solidworks向用户提供了API函数进行二次开发，用户在Solidworks中的所有操作都可以通过编辑API函数来实现参数化[5].API函数通过声明和实例化可以被VB所调用.本文通过挖掘铲铲片的参数化来介绍参数化建模过程.
在VB中创建铲片的参数化建模窗体，如图2所示，将其铲厚、铲长、铲宽等尺寸参数作为输入内容，并将铲片的结构示意图显示在窗口中，方便用户设计时参考.
为了实现VB与SolidWorks的连接，必须先对SolidWorks API的最高层对象及文档对象进行声明和实例化，具体代码如下：
Set swApp CreateObject("sldworks.appli cation")//对SolidWorks API的最高层对象
Set part = swapp.newpart//创建新文档
利用SolidWorks API函数编制草图及特征命令，并提取其中的尺寸特征，通过VB对其尺寸进行参数驱动，代码如下：
Dim H as Double//申明变量类型
H= CDbl(txtH.Text) / 1000 //对变量单位进行转换
boolstatus = Part.Extension. SelectByID2 ("草图1", "SKETCH", 0, 0, 0, False, 0, Nothing, 0)//选取草图
Set myFeature = Part. FeatureManager. FeatureExtrusion2(True, False, False, 0, 0, H, ……)//拉伸命令
……
输入相应的尺寸参数，点击创建，即可在SolidWorks中创建出铲片模型，如图3所示：
3 挖掘铲的参数化有限元分析
ANSYS为用户提供了二次开发模块[6]，用户可以首先建立铲片、铲架等的log文件，然后利用APDL语言对其进行编译，并通过VB对APDL命令流进行调用，对零件的单元类型、弹性模量等变量进行参数化，实现对挖掘铲的参数化分析，最后通过VB的图像控件显示有限元分析结果.本文通过铲片的分析介绍参数化有限元分析的过程.
铲片的有限元分析用户窗体如图4所示，窗体中有单元类型、网格精度等下拉框及弹性模量等用户输入文本框.
为了能使VB调用ANSYS，首先要通过shell函数来建立VB与ANSYS的连接，代码如下：
Dim dy
dy=Shell("C:\Program Files\……\ANSYS.exe -b -p ane3fl -i shi.txt -o sh.log", 1)
其中C:\Program Files\……\ANSYS.exe为ANSYS的安装目录.-b表示为设置ANSYS的处理模式为Batch模式.-p 表示为设置ANSYS为Multiphsics模块产品特征代码，变量名为ane3fl.-i为所输入的APDL文件，-o表示输出的文件，此处为*.log文件.
用户可以根据需要编制常用的APDL命令流，如单元类型、材料属性等，部分命令流如下：
et,1,solid164 //定义单元类型
mp,ex,1,2.1e5!Q235 //定义定义弹性模量及材料特性
mp,nuxy,1,0.3 //定义泊松比
mp,dens,1,7.81e-3 //定义密度
……
在分析的过程中需通过VB的timer控件对ANSYS的分析进度进行实时判断[7]，如果有file.err文件产生，则说明VB的shell函数对ANSYS的调用成功.用户窗口中跳出“ANSYS分析完成”通知用户.其关键代码如下：
Private Sub Timer1_Timer()
If Dir(App.path&"\file.err") <> "" Then
MsgBox("ANSYS分析完成！")
End if
Timer1.Enable=False
End sub
分析完成后，用图形保存命令将图形保存至到工作目录中，并利用VB图像控件的Loadpicture函数将应力云图显示在VB窗口中，如图5所示.从图中我们可以看到铲片的最大应力在铲片与铲架连接的地方，为195MPa，小于Q234的屈服极限强度233MPa，因此，该尺寸参数可以做为铲片的设计参数.在设计时如果发现强度不够，则可以通过修改铲片的尺寸参数并在系统中快速建模并进行有限元分析.
4 挖掘铲的参数化装配
挖掘铲的参数化装配需利用SolidWorks API函数的选择与遍历面的技术将多个零件按对应的配合关系装配在一起[8].挖掘铲主要包括铲架、铲片以及沉头螺栓.
在自动装配之前首先需用swApp.ActiveDoc来激活SolidWorks文档，并通过swApp.NewAssembly()函数新建装配体文档，然后再利用OpenDoc6()函数将需要插入的零件放至内存.具体代码如下：
Set swModel=swApp.ActiveDoc//激活SolidWorks文件
Set swModel=swApp.NewAssembly()//新建SolidWorks装配体文件
AssemblyTitle=swModel.GetTitle//获得SolidWorks新建装配体的标题
Set swPart=swApp.OpenDoc6(＂F:\canshuhua\chanjia.SLDPRT＂,1,0,＂ ＂, longstatus, longwarnings)//将铲架放入内存
……
接下来利用函数AddComponent4()将加载后的零件通过添加到当前装配体中，并且通过AddMate3()函数添加约束关系，使两零件约束完全，关键代码如下：
boolstatus = swModel.AddComponent 4(＂F:\canshuhua\chanpian.SLDPRT＂,0,0,0)
boolstatus=swModel.SelectByID(＂chanpian -1＂+＂@＂+AssemblyName,＂COMPONENT＂,0,0,0)
Set myMate=swModel.AddMate3(swMateConcentric,1,False,0,0,0,0,0,0,0,0,False, Errors) //两孔采用同心轴配合
自动生成的装配体如图6所示，通过SaveAs3()函数将装配体保存至指定的文件夹中.
longstatus = swModel.SaveAs3(＂F:\canshuhua\zhuangpeiti.SLDASM＂,0,2)
5 结论
通过开发马铃薯挖掘铲的参数化设计系统，使用户在系统中输入相应的尺寸参数便可实现对挖掘铲的参数化建模并进行自动装配；输入相应的材料参数等便可以对挖掘铲进行自动有限元分析并显示分析结果.如用户发现参数设计不合理，则可修改相应参数，系统会快速重新建模及分析.通过此系统，可以减少建模及有限元分析所消耗的时间，提高了挖掘铲的设计效率，使设计者可以更加专注于田间试验及挖掘铲的改进.
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参考文献：
〔1〕史明明,魏宏安,刘星,等.国内外马铃薯收获机械发展现状[J].农机化研究,2013(10):213-217.
〔2〕王公仆,蒋金琳,田艳清,等.马铃薯机械收获技术现状与发展趋势[J].中国农机化学报,2014(1):11-15.
〔3〕张建.4M-2型马铃薯联合收获机优化设计与仿真[D].兰州:甘肃农业大学,2008.
〔4〕李雷霞,贾晶霞,李建东,等.土壤参数与马铃薯收获机牵引阻力的研究[J].农机化研究,2013(10):125-128.
〔5〕刘淼淼,惠忠文,郝万东.基于VisualC++6.0的SolidWorks二次开发技术[J].电脑开发与应用,2010（4）:55-57.
〔6〕龚曙光,谢桂兰,黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M].北京:机械工业出版社,2009.
〔7〕黄启斌,杨晓翔,邓道林.基于VB的ANSYS二次开发及其在关节轴承结构分析中的应用[J].信息与技术,2015,44(1):149-151.
〔8〕易炳刚,汪雪.基于VB的SolidWorks自动装配技术研究[J].机械工程与自动化,2013(1):94-96.