柔性條鞭打戈寶麻葉過程的有限元分析,農(nóng)業(yè)機械化論文

柔性條鞭打戈寶麻葉過程的有限元分析,農(nóng)業(yè)機械化論文提高戈麻打葉經(jīng)過脫葉率、減少發(fā)動機功率消耗是設(shè)計戈寶麻采葉機所必須考慮的問題.戈寶麻全身是寶,是野生高級纖維植物,是生長在我們國家北方鹽堿、沙荒地和河灘地的一種抗逆性很強的多年生宿根草本植物.其適應(yīng)范圍廣,根蘗能力強,易構(gòu)成塊狀連片植物群落,同時還具有獨特的保建功能,是理想的綠化植物和經(jīng)濟植物,開發(fā)利用潛力宏大[1].通過過去和最近幾年對羅布麻和戈寶麻一些研究文獻的分析表示清楚,戈寶麻采葉機器的研發(fā)還處于起步階段.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)針對戈寶麻葉子的力學(xué)特性和生長外形,對其采葉器進行了研制,總質(zhì)量不超過120kg,并根據(jù)預(yù)備實驗的效果初步設(shè)計出戈寶麻的采葉機構(gòu),如此圖1所示.圖1中,兩水平移動機構(gòu)帶動壓滾互相地往里運動,進而對中間戈寶麻產(chǎn)生擠壓作用;高速旋轉(zhuǎn)的柔性條對壓滾間的戈寶麻葉子進行鞭打,使其脫落.在設(shè)計柔性條機構(gòu)及確定相關(guān)參數(shù)的經(jīng)過中,需要測得柔性條在不同速度及方向鞭打戈寶麻時葉脈處產(chǎn)生的毀壞力.如今采用的較為普遍的方式方法是通過試驗測量[2-4],需要建立具有一定規(guī)模的試驗平臺,成本較大,而且試驗周期較長[5-6];而采用有限元仿真的方式方法對戈寶麻采葉機構(gòu)進行設(shè)計則能夠大大降低試驗費用,縮短開發(fā)周期.當(dāng)前,利用有限元的方式方法對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)過中的切割器進行仿真還只是處于起步階段,還沒有能夠?qū)η懈罱?jīng)過中的刀具與被切割對象的復(fù)雜互相作用進行較為有效的模擬[7-9].本文的主要研究工作是利用有限元軟件LS_DY-NA對柔性條鞭打戈寶麻葉經(jīng)過進行仿真,在一定范圍內(nèi)得出不同速度和打葉方向?qū)θ~脈處最大毀壞力的關(guān)系,為采葉機構(gòu)的設(shè)計提供根據(jù).1仿真模型的建立1.1材料模型的建立戈寶麻葉子由葉片與葉脈組成,而葉脈與葉梗連接.葉子與葉脈采用一樣的材料模型-單向復(fù)合材料模型,并且各自使用不同的力學(xué)參數(shù).柔性條材料是尼龍PA66,在ls_dyna上使用非線性彈性材料BLATZ-KO,該材料需要定義剪切模量.通過WD-E精致細(xì)密型微控電子式萬能試驗機測出葉片、葉脈、葉梗的彈性模量以及尼龍條的剪切模量,通太多次測試取平均值,測試次數(shù)為每種50次.1.2建立幾何模型與劃分網(wǎng)格根據(jù)文獻的記載,戈寶麻的葉形為橢圓狀披形至矩圓狀卵形,葉序為單葉對生,分枝處?；ド?成熟的葉片長約為4cm,葉寬約為1.4cm,葉柄長約為4mm,葉子厚度為0.2mm;葉脈與梗相連;戈寶麻的梗直立生長,直徑約為2~3mm[10-11].由圖1可知,采摘的時候,上下滾筒對戈寶麻進行擠壓作用.對于戈寶麻梗來講,其上部與下部的位移因滾筒的擠壓而被約束住.因而,為簡化模型,梗的模型建立則取一段長約為3cm、直徑為2mm的梁所代替,如此圖2所示.柔性條采用長168mm、直徑4mm的圓柱實體.為了使計算簡化,對于葉脈和梗均采用梁單元beam161.根據(jù)前面的模型,在real中設(shè)置各梁單元直徑.葉片采用殼單元shell163,在real(實常數(shù))中設(shè)置殼單元的厚度為0.2mm.如此圖2所示,為了使葉片與葉脈能夠互相傳遞應(yīng)力,在劃分網(wǎng)格時采用同節(jié)點劃分.1.3建接觸定義和加載柔性條與葉片之間的接觸使用接觸算法*CON-TACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE.初始狀態(tài)的加載:對于柔性條給予一轉(zhuǎn)速度.當(dāng)柔性條碰撞到葉面的時候速度會下降;而實際上,柔性條固定在恒定轉(zhuǎn)速的固定盤上(圖1所示),當(dāng)柔性條碰撞到葉面時,華而不實部角速度也不會有太大的改變.為了符合試驗的實際,在柔性條外面套上一恒轉(zhuǎn)速的圓柱剛體,其轉(zhuǎn)速與柔性條相等.剛體與柔性條之間的接觸仍使用上述算法.仿真經(jīng)過中為了到達脫葉的效果,葉梗與葉脈之間采用點焊連接.對于點焊,其失效準(zhǔn)則能夠表述為式中fN、fS-點焊的法向和切向力;SN、SS-點焊的法向毀壞力和切向毀壞力;EXPN、EXPS-效準(zhǔn)則中法向力和切向毀壞力指數(shù).為得到上述參數(shù),采用WD-E精致細(xì)密型微控電子式萬能試驗機,測試出戈寶麻葉脈被拉斷時的拉力與其被切斷時的壓力.采用采樣測試,測得葉脈被拉斷時的拉力約為20.6N,葉脈被切斷時的壓力約為15.3N;法向力和切向毀壞力指數(shù)均設(shè)為1.2仿真試驗設(shè)計為了優(yōu)化采葉機構(gòu)的設(shè)計,到達較高的采葉率,需要算出不同打葉情況下戈寶麻葉脈的最大應(yīng)力.本仿真實驗中考慮到4個因素會對葉脈處應(yīng)力的最大值有影響,分別是柔性條的轉(zhuǎn)速和3個打葉角度X、Y、Z.圖3講明了3個打葉角度所代表的方向.考慮到各因素之間有交互作用,采用4因素5水平的正交試驗.各因素取值如表2所示.仿真中,記錄各情況下葉脈處的最大應(yīng)力,分析轉(zhuǎn)速以及各個打葉方向?qū)θ~脈處產(chǎn)生的最大應(yīng)力能否有顯著影響.3仿真結(jié)果及分析3.1葉脈斷裂的形態(tài)及應(yīng)力分布采用試驗中的速度范圍值,在切割經(jīng)過中刀具與甘蔗的互相作用時間約為0.1~0.5ms,由于作用時間比擬短,在實際試驗中難以觀察到其具體的切割經(jīng)過;而通過有限元仿真,則能夠?qū)η懈罱?jīng)過做一個較為具體的觀察與分析.圖4(a)~(d)動態(tài)地顯示柔性條抽打戈寶麻葉片的經(jīng)過,圖4(e)~(f)為對應(yīng)的葉子應(yīng)力分布圖.該經(jīng)過能夠分為3個階段:第1個階段為接觸階段,如此圖4(a)所示.剛開場柔性條與葉片接觸,使得葉片發(fā)生了稍微的變型.葉片上的最大vonmiss集中在柔性條與葉片的接觸點上,此時的最大應(yīng)力約為7.3MPa.第2個階段為柔性條與葉片之間的拉扯階段,如此圖4(b)和圖4(c)所示.由于剛開場柔性條與葉片的碰撞,造成葉片有離開柔性條的趨勢,使得兩者之間的應(yīng)力降低.如此圖4(b)中,在t=1.2ms時最大應(yīng)力下降到6.8MPa左右;隨著中間剛體的作用,柔性條轉(zhuǎn)速有加速的趨勢,使得葉片的應(yīng)力上升.從圖4(e)、(f)可看出葉子的vonmiss有明顯的上升,最大值到達整個經(jīng)過的最高值約為7.8MPa左右.第3個階段為葉子的斷裂階段,如此圖4(d)所示.由于兩者的正壓力、摩擦力的作用以及柔性條的旋轉(zhuǎn)運動,使得葉子有離開葉梗的趨勢.在葉梗處有明顯的變型,當(dāng)葉脈處的應(yīng)力到達葉脈與葉梗處的法向或切向的毀壞力時,葉子脫離葉梗.3.2柔性條擊打的角度以及轉(zhuǎn)速對葉脈處最大毀壞力的影響通過正交試驗L25(54)考察不同的轉(zhuǎn)速(因素a)與不同的方向(因素b、c、d)對葉脈處最大毀壞力的影響.在ansys中使用ETABLE與PRETAB命令,能查出葉脈處的相關(guān)參數(shù).正交仿真試驗結(jié)果如表3所示.由表3可知,各因素對結(jié)果形響大小的排列為Z轉(zhuǎn)速XY.華而不實,轉(zhuǎn)速以及因素Z、X的顯著值(即SIG值)均小于0.05,可知此三因素對結(jié)果的影響顯著.因素Y的顯著值大于0.05,因而因素Y的改變對結(jié)果的形響不顯著.由圖5能夠看出,葉脈處的應(yīng)力隨柔性條轉(zhuǎn)速的增高而增高.對于應(yīng)力影響最大的因素Y,當(dāng)Y=90時(即當(dāng)柔性條的旋轉(zhuǎn)中心與葉片在同一水平面時)到達最大應(yīng)力;而隨旋轉(zhuǎn)中心向上或向下達時,應(yīng)力急劇減少.當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心與葉子幾乎在同一垂直位置時,應(yīng)力到達最小值.在實際的設(shè)計中,應(yīng)盡量使更多葉子與水平處的柔性刀進行接觸,進而到達更高層次的脫葉率.從因素X的趨勢圖中可知,當(dāng)柔性條鞭打的方向與葉片外表平行的時候應(yīng)力最小,垂直方向應(yīng)力最大.x=0時(即柔性條從上往下正打葉子)的應(yīng)力大于x=180時(即柔性條從下往上正打葉子)的應(yīng)力.因而,在實際的設(shè)計中應(yīng)采取從上往下打的方案,而且要采取策略使得葉子的葉面盡量地平行于柔性條.對于Y因素,由于影響不顯著,實際中可不予以考慮.4結(jié)論本文通過有限元軟件,在不同的柔性條轉(zhuǎn)速和角度條件下對戈寶麻葉子鞭打進行了仿真分析.分析結(jié)果表示清楚:鞭打經(jīng)過中,柔性條轉(zhuǎn)速的變化、X向和Z向的改變對葉脈處應(yīng)力的影響較為顯著,而Y向的改變對葉脈處的應(yīng)力影響不大;應(yīng)力隨柔性條的轉(zhuǎn)速的增大而增大,在柔性條與葉片平行時,葉脈的應(yīng)力到達最高值.此仿真結(jié)果為本樣機的設(shè)計提供了重要的理論基礎(chǔ),同時也減少了實際試驗中的成本,對于后續(xù)的樣機改良也有一定的參考價值.以下為參考文獻:[1]張秀玲.野生藥用纖維植物羅布麻[J].大自然,2006(4):42-43.[2]高楊堅,梁兆新,莫建霖,等.甘蔗切割器切割質(zhì)量影響因素的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(5):60-64.[3]黃漢東,王玉興,唐艷芹,等.甘蔗切割經(jīng)過的有限元仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2018,27(2):161-166.[4]賈趙鋒.微型氣力式砍蔗器的設(shè)計與研究[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.[5]楊家軍,劉鋒,劉喜云.甘蔗收獲機切割器的動態(tài)設(shè)計[J].機械科學(xué)與技術(shù),2000,19(6):923-926.[6]劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈切割力試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(7):90-94.[7]呂小榮,任文濤,呂小蓮,等.CAD/CAE在9LRZ-80秸稈揉切機切碎器設(shè)計中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2007(4):90-92.[8]朱國,譚鶴群.魚體在剖魚機夾片中受力有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(4):44-48.[9]ReitererA,SinnG,Stanzl-TscheggSE.Fracturecharac-teristicsofdifferentwoodspeciesundermodeIl