螺旋刀具切削土壤的三維有限元分析

螺旋刀具切削土壤的三維有限元分析

螺旋式車床在切割和研磨過程中完成了切割、改進(jìn)和傳輸，具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸緊湊、能耗低等特點(diǎn)。這是開溝機(jī)技術(shù)的一個重要開發(fā)方向。螺旋刀具是開溝機(jī)的關(guān)鍵部件,研究螺旋刀具對土壤的破壞過程,對優(yōu)化螺旋式開溝機(jī)的運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù),降低開溝能耗,具有重要的作用。傳統(tǒng)的耕作機(jī)具與土壤相互作用的試驗(yàn)方法,不僅耗費(fèi)大量人力、財(cái)力和時(shí)間,且易受客觀條件的限制,使得試驗(yàn)結(jié)果的精度受到影響。通過計(jì)算機(jī)模擬,可以快捷地虛擬研究螺旋刀具與土壤的切削過程,更好地揭示螺旋刀具-土壤的工作機(jī)理和指導(dǎo)螺旋式開溝機(jī)的設(shè)計(jì)。因此,運(yùn)用ANSYS/LS_DYNA(顯式非線性動力分析有限元軟件)對螺旋刀具切削土壤進(jìn)行數(shù)值模擬具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前針對螺旋刀具切削仿真的研究文獻(xiàn)很少,主要困難在于螺旋結(jié)構(gòu)為空間曲面三維結(jié)構(gòu),難以在有限元軟件中建立模型,但根據(jù)切削機(jī)理,與之相仿的研究有刀具切削金屬、耕耘機(jī)刀具切削土壤的模擬仿真等。國內(nèi)的研究,有利用數(shù)學(xué)模擬方法探討土壤的切削過程,包括傳統(tǒng)分析方法、離散單元法(DEM)和有限單元法(FEM)。在離散單元法方面,吉林大學(xué)的張銳及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐泳等分別介紹了目前地面力學(xué)研究領(lǐng)域中離散單元法在土壤機(jī)械特性動態(tài)仿真中的應(yīng)用。在有限單元法方面,從2001年開始,國內(nèi)學(xué)者使用有限元法研究土壤切削問題迅速增加,主要包括研究進(jìn)展的綜合論述以及方法的探討等。從1977年開始,國外學(xué)者分別采用二維有限元和三維有限元法對寬、窄齒耕作部件進(jìn)行土壤切削模擬,并采用有限元法研究深耕鏟的土壤切削性能,有的還研究了動力影響時(shí)土壤切削的有限元分析方法。近年來用有限元方法研究土壤切削特征取得了較大的進(jìn)展。有限元法已成為研究耕作部件對土壤高速切削問題的有效工具,但運(yùn)用有限元法在螺旋刀具切屑土壤的研究還鮮有報(bào)道。筆者運(yùn)用ANSYS/LS_DYNA進(jìn)行螺旋刀具切削土壤的顯示動力學(xué)分析,探討了其切削過程,分析了切削功耗的大小及螺旋刀具力學(xué)特性,旨在揭示螺旋刀具-土壤的工作機(jī)理,為螺旋式開溝機(jī)的動力選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。1有限預(yù)算建模1.1維圖的繪制螺旋刀具是螺旋式開溝機(jī)的關(guān)鍵部件,根據(jù)實(shí)際的工況要求,設(shè)計(jì)螺旋刀具由雙頭變螺距螺旋葉片和空心圓柱軸組成,其中變螺距螺旋葉片的表面為變螺距圓柱正螺旋面,變螺距圓柱正螺旋面的形成是以變螺距螺旋線T為導(dǎo)線,使母線與螺旋線軸線成90°沿導(dǎo)線運(yùn)動形成。螺旋線的參數(shù)方程為?????x=rcos2πky=rsin2πkz=e(2πr)2k2+(2πrtgα0)k{x=rcos2πky=rsin2πkz=e(2πr)2k2+(2πrtgα0)k式中e=h1?2πrk0tgα0(2πrk0)2e=h1-2πrk0tgα0(2πrk0)2tgαk=4eπrk+tgα0其中k為螺旋線上升圈數(shù),α0為初始螺旋角,αk為螺旋線上升圈時(shí)的螺旋角,h1為螺旋上升k0圈時(shí)沿螺旋軸線上升的高度,r為圓柱半徑。設(shè)螺旋葉片的厚度為n,空心圓柱軸內(nèi)半徑為r0。參考國內(nèi)學(xué)者的研究,設(shè)計(jì)r=0.029m,r0=0.021m,α0=10°,k0=2圈,h1=0.3m,n=0.003m。根據(jù)實(shí)際的開溝要求確定螺旋葉片的外徑為0.16m,螺旋葉片的高度為0.37m,空心圓柱軸的高度為0.45m。利用Pro/E繪制三維圖(圖1)。工作時(shí),動力傳輸給空心圓柱軸,使其帶動螺旋葉片做直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,切削土壤。1.2彈性材料的選擇由于切削過程的復(fù)雜性,伴隨著應(yīng)力、應(yīng)變的急劇變化,包括彈、塑性和斷裂的變形,因此,為準(zhǔn)確反映切削的過程,假設(shè)如下:Ⅰ.螺旋葉片和空心圓柱軸的材料為各向同性的線彈性材料;Ⅱ.如果讓螺旋葉片同時(shí)做水平和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,則螺旋葉片做復(fù)雜的三維運(yùn)動,在有限元中難以實(shí)現(xiàn)在彈性體上同時(shí)加載兩種運(yùn)動,因此將模型簡化為螺旋刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和土壤的水平運(yùn)動;Ⅲ.根據(jù)土壤材料模型發(fā)展的現(xiàn)狀和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的水平,在數(shù)值模擬中,只考慮對土壤切削的過程,不考慮開溝過程中土壤的升運(yùn)過程。1.3維模型的建立螺旋刀具由螺旋葉片和空心圓柱軸組成,而螺旋葉片為空間復(fù)雜的三維實(shí)體,無法在ANSYS中直接建模,因此采用在Pro/E中由方程建立空間三維變螺距圓柱螺旋線,再利用混合掃描的方法建立變螺距螺旋葉片的三維模型,通過Pro/E與ANSYS的無縫連接,將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件。將螺旋刀具的單元定義為LS-DYNAExplicit單元SHELL163,為減小沙漏能,采用全積分的殼單元算法(fullyintegratedshellelement)?？紤]到應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集,材料采用線性各向同性(linearisotropic),材料的彈性模量為0.21×1012Pa,密度為7.8×103kg/m3,泊松比為0.288。利用掃掠方法來劃分有限元網(wǎng)格,劃分單元數(shù)為3892個。1.4mohpa模型對土壤進(jìn)行切削模擬,土壤本構(gòu)關(guān)系的選擇對模擬的準(zhǔn)確性影響很大。本研究采用的材料為MAT147(MAT_FHWA_SOIL),材料采用修正的Mohr_Cloulomb屈服準(zhǔn)則。此土壤材料對屈服面進(jìn)行了修正,當(dāng)剪切力很小時(shí),屈服面是一個光滑的平面,并且垂直于壓力軸,修正后的Mohr_Cloulomb屈服表面表達(dá)式為F=?psinφ+J2K(θ)2+Ahypsin2φ?????????????????√?ccosφ=0F=-psinφ+J2Κ(θ)2+Ahypsin2φ-ccosφ=0式中p為壓力;φ為內(nèi)摩擦角;J2為應(yīng)力偏張量的第2不變量;K(θ)為張量平面角的函數(shù);c為粘聚力;Ahyp為確定修正后的Mohr_Cloulomb屈服面和標(biāo)準(zhǔn)的Mohr_Cloulomb屈服面相似程度。當(dāng)Ahyp=0時(shí),上式表示的是標(biāo)準(zhǔn)Mohr_Cloulomb屈服面。該材料同時(shí)考慮了塑性硬化、塑性軟化、應(yīng)變速率效應(yīng)和孔隙水壓力效應(yīng),相對LS_DYNA提供的其他土壤模型,其仿真的結(jié)果更加準(zhǔn)確。結(jié)合武漢地區(qū)的土壤特性(黃棕壤),在仿真中采用的土壤模型的參數(shù):土壤中水分密度為1.0×103kg/m3,土壤含水率為3.4%,土壤密度為2.082×103kg/m3,土壤體積模量為0.35×108Pa,土壤剪切模量為0.2×108Pa,土壤內(nèi)聚力為0.22×105Pa,內(nèi)摩擦角為0.436rad,土粒相對密度為2.68,Ahyp為0.997×103,粘塑性參數(shù)為1.1,單元破壞的水平為0.99,第3不變量效應(yīng)偏心參數(shù)Eccen為0.7。考慮到螺旋刀具對土壤的切削方式,建立土壤的模型為空心的半圓弧狀,中心內(nèi)半圓半徑為0.161m,外半圓半徑為0.6m,厚度為0.4m。土壤單元定義為LS-DYNAExplicit單元SOLID164,為減少沙漏能,采用全積分算法?？紤]仿真的精度以及計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力,對參與切削的土壤進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,其余土壤網(wǎng)格劃分相對較粗。采用掃掠方法劃分有限元網(wǎng)格,劃分單元數(shù)為14282個。螺旋刀具切削土壤的有限元模型如圖2所示。2結(jié)果與分析2.1添加邊界條件利用LS_DYNA對模型進(jìn)行仿真分析。在仿真分析中,螺旋刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,土壤向螺旋葉片做直線運(yùn)動,兩者接觸后,螺旋葉片不斷的銑削土壤。筆者主要研究在一定的工況下螺旋刀體對土壤的切削過程及完成一個切削量的作業(yè)時(shí),整個切削模型最大的功耗以及螺旋葉片的應(yīng)力等的變化,為螺旋刀具的運(yùn)動參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。在切削過程中,添加如下邊界條件:Ⅰ.螺旋刀具添加繞z軸旋轉(zhuǎn)的動力載荷,旋轉(zhuǎn)速度為480r/min;Ⅱ.土壤添加0.0278m/s的直線位移初速度;Ⅲ.空心圓柱軸的上端面和螺旋葉片的內(nèi)端面添加z向約束;Ⅳ.土壤外圓弧端面添加了除y向位移外的其它約束,考慮切削過程中,距離切削面較遠(yuǎn)的土壤不受到任何擾動;Ⅴ.添加螺旋葉片與土壤之間的接觸為面面侵蝕接觸選項(xiàng)(*ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。設(shè)置求解時(shí)間為0.25s,在ANSYS前處理器中生成K文件,經(jīng)修改材料、載荷等參數(shù)后,提交DYNA求解器進(jìn)行求解。2.2模擬分析的結(jié)果1間線間的運(yùn)動圖3為土壤因切削力的作用而破壞的過程。因螺旋葉片半徑為0.160m,土壤內(nèi)圓弧初始半徑為0.161m,故兩者之間存在0.001m的間距。經(jīng)過約0.03s的運(yùn)動,螺旋葉片開始和土壤接觸,土壤受力被破壞。之后隨著螺旋葉片與土壤接觸范圍的增加,土壤被破壞的面積逐漸增加。土壤因受剪切和擠壓而被破壞,被破壞土壤的邊界線形狀和螺旋葉片外端形狀相似,因土壤的直線位移和螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,使銑削不斷向葉片之間尚未被銑削的土壤推進(jìn),實(shí)現(xiàn)了螺旋葉片對土壤的連續(xù)切削。2不同單元的土壤能量在切削過程中,總的能耗包括維持螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)和土壤模型的運(yùn)動所需的動能和兩者相互作用的內(nèi)能,動能基本保持不變,總的能耗隨著內(nèi)能的不斷增加而增大。由圖4可知,剛開始切削時(shí),總能耗的變化最強(qiáng)烈,隨著切削的進(jìn)行,能量的變化逐漸趨于平緩,這主要是因?yàn)橥寥李w粒在初始被破壞后相互之間的結(jié)合力減小,而螺旋葉片還未接觸到新的土壤層,總能量的變化放緩。將總的能耗對時(shí)間求導(dǎo),得到切削功率如圖5所示。當(dāng)土壤單元失效后,螺旋刀具未能接觸到新的土壤單元,因此會出現(xiàn)功率的波動。由圖5可得最大的功率約為3.7kW,這與根據(jù)理論公式計(jì)算所得的4kW基本相符。3螺旋葉片與土壤接觸單元s066-ss65由螺旋刀具在切削土壤過程中某一時(shí)刻等效應(yīng)力的分布,可知Mises等效應(yīng)力在螺旋葉片的內(nèi)外端面較大,這主要是因?yàn)槁菪~片的外端面與土壤之間的切削作用以及螺旋葉片內(nèi)端面的曲率較大,成為應(yīng)力集中區(qū)域。較大的Mises等效應(yīng)力值集中于約1.5×108Pa,接近材料的屈服應(yīng)力,因此在實(shí)際切削時(shí)可以考慮以螺旋葉片為基體,添加物理特性好的刀片在螺旋葉片端部,進(jìn)行切削。圖6為螺旋葉片端面兩單元S966與S361的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線,其中S966為螺旋與土壤接觸的單元(A線),S361為螺旋葉片內(nèi)部單元(B線),因S966為螺旋端面與土壤接觸單元,故在同一時(shí)刻其等效應(yīng)力較S361單元大。由曲線A的變化趨勢和切削過程進(jìn)行對比,可以得出該單元或其附近單元接觸新的土壤單元時(shí)刻及應(yīng)力的大小,曲線尖峰時(shí)刻即是該單元或其附近單元與新的土壤單元接觸時(shí)刻。分析螺旋葉片單元的受力,為螺旋葉片參數(shù)的優(yōu)化、刀片參數(shù)的選擇打下基礎(chǔ)。3基于ansys/lsdynas的螺旋刀具切削土壤仿真本試驗(yàn)結(jié)果表明:用所構(gòu)建的螺旋刀具切削土壤的有限元模型應(yīng)用于螺旋開溝機(jī)螺旋刀具與土壤之間相互作用研究是可行的;采用MAT147(MAT_FHWA_SOIL)的土壤模型,該模型采用修正的Mohr_Cloulomb屈服準(zhǔn)則,可同時(shí)考慮了塑性硬化、塑性軟化、應(yīng)變速率效應(yīng)和孔隙水壓力效應(yīng),相對LS_DYNA提供的其他土壤模型,其仿真的結(jié)果更加準(zhǔn)確,通過數(shù)值模擬標(biāo)明其適合于土體切削的數(shù)