許欣+尹志宏+孫先成+姜岱箐

摘要： 本文主要對(duì)有限元前處理軟件Hypermesh和動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA運(yùn)用于往復(fù)式甘蔗切割過程的有限元仿真與建模分析，在Hypermesh中創(chuàng)建了甘蔗切割系統(tǒng)的有限元模型，并以K文件的格式導(dǎo)入LS-DYNA求解器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解分析，利用LS-PROPOST軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，得到了甘蔗切割過程的等效應(yīng)力云圖以及位移云圖，切割力曲線以及能量曲線，分析結(jié)果得到相關(guān)參數(shù)是符合設(shè)計(jì)要求。

Abstract： In this paper， finite element simulation and modeling analysis of finite element pretreatment software Hypermesh and kinetic analysis software LS-DYNA in reciprocating sugarcane cutting process are analyzed， a finite element model of sugarcane cutting system in Hypermesh is created， the K file format is introduced into the LS-DYNA solver for dynamic analysis， and the results are analyzed by using the LS-PROPOST software， then the equivalent stress cloud image and the displacement cloud image， the cutting force curve and the energy curve of the sugarcane cutting process are obtained. The relevant parameters are in line with the design requirements.

關(guān)鍵詞： 有限元；甘蔗切割；建模；動(dòng)力學(xué)分析

Key words： finite element；sugarcane cutting；modeling；dynamics analysis

中圖分類號(hào)：TH128 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0148-03

0 引言

近年來，云南省甘蔗種植面積逐年增加，現(xiàn)已成為了我國(guó)第二大甘蔗產(chǎn)區(qū)，是云南省當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的主要經(jīng)濟(jì)作物。由于云南省大部分甘蔗種植區(qū)是以山地、丘陵等小地塊為主，因此大中型甘蔗收割機(jī)械并不適用，導(dǎo)致甘蔗收割作業(yè)強(qiáng)度增大以及收割效率降低，這既影響著大部分蔗農(nóng)的生存環(huán)境，也影響著云南省制糖業(yè)的發(fā)展[1]。因此，研究出符合云南省地形特點(diǎn)的，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型甘蔗收割機(jī)，對(duì)促進(jìn)云南省蔗糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和推動(dòng)甘蔗機(jī)械化生產(chǎn)具有重大意義，故基于此本文通過運(yùn)用建模分析軟件對(duì)其相關(guān)參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析比對(duì)得到理論上的驗(yàn)證。

1 切割器—甘蔗幾何模型的建立

本文主要研究甘蔗收割機(jī)在切割作業(yè)過程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)切割性能的影響，在前處理分析之前，需要?jiǎng)?chuàng)建切割器和甘蔗的有限元模型，創(chuàng)建有限元模型通常由兩種方法，一是利用三維建模軟件創(chuàng)建幾何模型并導(dǎo)入Hypermesh中；二是在Hypermesh中直接創(chuàng)建模型。由于收割機(jī)動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，直接在ANSYS中建模比較困難，因此使用三維建模軟件Inventor完成切割系統(tǒng)實(shí)體模型的創(chuàng)建，如圖1所示，在不對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生太大的影響前提下，創(chuàng)建甘蔗長(zhǎng)度為100mm，直徑選取為28mm，動(dòng)刀片距離甘蔗底部20mm，動(dòng)刀片為齒刃梯形刀片，刀片厚度為4mm，切割傾角為10°。

在Inventor中建立最終的三維實(shí)體模型后，將Inventor模型保存為IGES格式，再將IGES格式的文件導(dǎo)入Hypermesh中[2]。

2 模型處理

2.1 Hypermesh網(wǎng)格劃分

根據(jù)切割模型的大小以及計(jì)算的準(zhǔn)確度，本文主要采用自動(dòng)式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。切割器—甘蔗有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，動(dòng)刀片采用三角形進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格尺寸為2mm，單元個(gè)數(shù)是23707；甘蔗使用混合單元類型（四邊形和三角形）進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格尺寸選擇5mm，單元個(gè)數(shù)是2574個(gè)。

2.2 材料參數(shù)的選擇

甘蔗主要由蔗皮和蔗芯組成，是一種非線性、各向異性、非均質(zhì)的彈性材料，由于品種的不同導(dǎo)致了甘蔗的物理力學(xué)性能之間存在一定的差異，相同品種的甘蔗之間也有差別。甘蔗的蔗皮相對(duì)蔗芯比較薄，它們之間的力學(xué)性能相差也很大，其物理力學(xué)性能參數(shù)測(cè)量比較困難。因此，為了方便甘蔗模型的建立，將甘蔗的蔗皮和蔗芯看成一個(gè)整體，定義甘蔗材料為各向同性的塑性材料[3]。其塑性隨動(dòng)模型為

式中：？著1—應(yīng)變率；？滓0—初始屈服應(yīng)力；C—應(yīng)變率參數(shù)；Ep—塑性硬化模量；—有效塑性應(yīng)變；Ep=EtanE/E-Etan；？茁—硬化參數(shù)；E—彈性模量；Ep—塑性硬化模量。

剛性材料模型在顯示動(dòng)力學(xué)中有很重要的作用，剛性材料模型在求解運(yùn)算過程中可以很好地減少運(yùn)算時(shí)間，同時(shí)，在輸入剛形體材料模型時(shí)不僅可以定義彈性模量、泊松比以及相應(yīng)的質(zhì)量密度參數(shù)，還可以約束材料模型。相對(duì)于坐標(biāo)系，它可以任意約束X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，可以有效地簡(jiǎn)化有限元前處理操作的過程。

在Hypermesh中創(chuàng)建材料屬性卡片，甘蔗材料選擇為MAT3，動(dòng)刀片材料選擇為MAT1，同時(shí)將所創(chuàng)建材料屬性添加至切割系統(tǒng)模型，甘蔗的材料物理參數(shù)如表1所示。

動(dòng)刀片材料是65Mn，動(dòng)刀片材料物理參數(shù)如表2所示。

2.3 求解設(shè)置endprint

一般來說，仿真計(jì)算過程時(shí)間很短，時(shí)間設(shè)置越大則計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。為避免仿真過程中卸載，載荷時(shí)間設(shè)置應(yīng)大于求解時(shí)間，設(shè)置計(jì)算時(shí)間Termin為0.035s。在完成有限元模型前處理后，輸出一個(gè)K文件并利用LS-DYNA進(jìn)行求解，調(diào)用LS-PREPOST進(jìn)行仿真結(jié)果后處理，并對(duì)其進(jìn)行分析[5]。

3 ANSYS/LS-DYNA仿真結(jié)果分析

3.1 割刀在切割過程中等效應(yīng)力分布

圖3為甘蔗切割過程中割刀的等效應(yīng)力云圖，從應(yīng)力云圖分布可以看出，圖（a）為切割初始狀態(tài)，動(dòng)刀片在0.005s時(shí)剛進(jìn)入甘蔗莖稈，甘蔗莖稈受到動(dòng)刀片的壓迫作用，在甘蔗與動(dòng)刀片接觸區(qū)域產(chǎn)生壓力，動(dòng)刀片在刀尖處的應(yīng)力達(dá)到最大值，應(yīng)力最大值為209.3MPa。圖（b）為甘蔗切割狀態(tài)，時(shí)間是0.015s，此時(shí)割刀最大應(yīng)力為232.5MPa。圖（c）為甘蔗切割在0.025s時(shí)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到最大值298.5MPa。圖（d）為甘蔗莖稈被切斷時(shí)刻割刀的應(yīng)力云圖，此時(shí)甘蔗即將被切斷。在甘蔗切割過程中，動(dòng)刀片最大Von Miss應(yīng)力約為298.5MPa，小于割刀材料的屈服強(qiáng)度430MPa，遠(yuǎn)大于甘蔗材料的強(qiáng)度[6]。

3.2 甘蔗切割過程等效應(yīng)力分布

通過仿真分析，可以得出甘蔗莖稈在切割過程中應(yīng)力分布情況，即等效應(yīng)力云圖。在甘蔗切割過程中，切割初始狀態(tài)的等效應(yīng)力云圖，割刀在0.003s開始進(jìn)入甘蔗莖稈，此時(shí)割刀剛與甘蔗接觸，產(chǎn)生一定的沖擊力，等效應(yīng)力最大值為0.822MPa。割刀切割甘蔗至一半時(shí)的等效應(yīng)力云圖，割刀具有一定速度，此時(shí)等效應(yīng)力達(dá)到最大值10.35MPa。甘蔗莖稈在0.019s即將被切斷時(shí)的等效應(yīng)力云圖，最大等效應(yīng)力為9.911MPa。甘蔗莖稈被切斷時(shí)的等效應(yīng)力云圖，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.028s，此時(shí)最大應(yīng)力為8.103MPa。

3.3 切割力曲線

圖4為甘蔗切割過程中切割力曲線圖[6]，由圖可知，在0.012s時(shí)刻，切割力達(dá)到最大值224N。在整個(gè)切割過程中，切割力在切割到甘蔗一半位置時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)切割，切割力又從最大值減小到0。由此得出切割力隨切入深度變化的規(guī)律為：從開始切割到切入甘蔗半徑位置時(shí)，切割力從零增大到最大值，從切入甘蔗半徑位置到完全切斷甘蔗時(shí)，切割力又從最大值減小到零。

3.4 能量變化

在甘蔗切割過程中，各種能量與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，動(dòng)刀片的內(nèi)能由開始切割時(shí)的0J增加到284J，其整體動(dòng)能是不變的，每條曲線的變化趨勢(shì)很平緩，說明動(dòng)刀片的剛度分布很合理，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。通過對(duì)沙漏能曲線進(jìn)行分析，可知在甘蔗切割仿真過程中，沙漏能很小[7]，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)往復(fù)式甘蔗切割器切割甘蔗的過程進(jìn)行的有限元建模與分析，得到了仿真的結(jié)果，較直觀地反映出甘蔗切割器切割甘蔗的過程；并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到該設(shè)計(jì)的合理性，并為接下來甘蔗切割器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了良好的參考依據(jù)。

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