陶 濤,魏新華

(1．揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127;2．江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

玉米是我國(guó)第一大糧食作物,也是世界三大糧食作物之一。脫粒是玉米收獲和加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,玉米脫粒機(jī)在我國(guó)使用非常廣泛[1-2]。目前,我國(guó)商品玉米脫粒主要采用釘齒滾筒式玉米脫粒機(jī),其工作時(shí)玉米芯經(jīng)常會(huì)被釘齒打斷或打碎[3-4]。

在玉米芯破碎成小塊之后,上面殘存的玉米籽粒將難以脫落,從而導(dǎo)致籽粒夾帶損失增大;破碎的玉米芯較多時(shí),會(huì)降低清選系統(tǒng)的清選效果,從而導(dǎo)致玉米籽粒凈度降低[5]。從這個(gè)角度來說,在設(shè)計(jì)玉米脫粒機(jī)時(shí)需要考慮控制玉米芯斷裂和破碎,以降低籽粒夾帶損失,提高玉米籽粒凈度,因而對(duì)玉米芯力學(xué)特性的研究非常重要?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米籽粒宏觀和微觀力學(xué)性質(zhì)都進(jìn)行了比較深入系統(tǒng)的研究。周海玲[6]等對(duì)玉米籽粒果柄的剛度系數(shù)、破壞力和破壞位移進(jìn)行了測(cè)試與分析,并考查了加載速度、果穗分段、品種、施力方向的影響,進(jìn)行了不同含水率下玉米種子籽粒破損強(qiáng)度、果柄強(qiáng)度和脫粒作用力等試驗(yàn)。高連心[7]進(jìn)行了不同含水率下玉米種子籽粒破損強(qiáng)度、果柄強(qiáng)度和脫粒作用力等試驗(yàn)。趙武云[8]對(duì)玉米芯的徑向壓縮和彎曲力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試與分析,發(fā)現(xiàn)徑向壓縮和彎曲時(shí)的破壞力均隨含水率的增大而減小,隨玉米芯直徑的增大而增大。李心平[9]等通過有限元分析方法對(duì)玉米種子在靜壓載作用下不同作用部位的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,獲得了玉米種子在不同施力部位壓載作用下的微觀力學(xué)性質(zhì)。但是,國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米芯力學(xué)性質(zhì)的研究還比較少,因此對(duì)玉米芯力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究不僅具有現(xiàn)實(shí)意義,還具有一定的創(chuàng)新性。

現(xiàn)有針對(duì)玉米脫粒過程的研究大都采用經(jīng)驗(yàn)方法、試驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)分析方法。試驗(yàn)方法和統(tǒng)計(jì)分析方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,所得結(jié)果一般也不具有普遍意義,還不能洞察玉米脫粒過程的物理機(jī)理[10]。本文采用LS-DYNA對(duì)玉米芯在徑向壓縮、軸向壓縮、徑向剪切和彎曲4種施力情況下進(jìn)行有限元分析,為研制高性能玉米脫粒機(jī)、玉米芯加工處理設(shè)備及選擇合理的玉米芯破碎方式等提供參考依據(jù)和相關(guān)參數(shù)。

1 玉米芯沖擊理論

LS-DYNA一般采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析沖擊問題,求解器以顯示為主[11],最終獲得沖擊載荷作用下玉米芯節(jié)點(diǎn)位移、網(wǎng)格單元應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)速度及加速度隨時(shí)間變化等計(jì)算結(jié)果,其具體流程如圖1所示。

玉米芯在進(jìn)行沖擊時(shí)受到?jīng)_擊力的大小及其變化過程可以作為評(píng)價(jià)玉米芯剛度的重要參考指標(biāo)。本文通過 Hypermesh/LS-DYNA建立合適的玉米芯模型進(jìn)行仿真,計(jì)算出玉米芯在形變過程中沖擊力的變化過程,為研制高性能玉米脫粒機(jī)、玉米芯加工處理設(shè)備及選擇合理的玉米芯破碎方式等提供參考依據(jù)和相關(guān)參數(shù)。玉米芯受徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲仿真的原理如圖2所示。

圖1 LS-DYNA計(jì)算流程圖

2 玉米芯數(shù)值建模

以LS-DYNA作為求解器,Hypermesh作為前處理軟件,Hyperview作為后處理軟件。

2.1 建立玉米芯模型

玉米芯是指玉米果穗脫去籽粒后所剩的果穗軸,又稱玉米穗軸、棒子骨等。玉米芯的組織結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外主要由三分段組成:芯髓、木質(zhì)環(huán)形體和膜片[12]。為簡(jiǎn)化計(jì)算,將玉米芯建立為一個(gè)整體,以結(jié)構(gòu)全為木質(zhì)環(huán)形體建模。根據(jù)文獻(xiàn)[13],將玉米分為3段(小端、中段、尾端),先鋒8號(hào)玉米芯的相關(guān)參數(shù)如圖3所示。根據(jù)上述參數(shù)建立玉米芯的3段實(shí)體模型,如圖4所示。

圖2 玉米芯仿真的原理示意圖

圖3玉米芯結(jié)構(gòu)圖

圖4 玉米芯三維模型

以玉米芯3段各截取20cm長(zhǎng)度作為研究對(duì)象,參照?qǐng)D2建立玉米芯4種受力方式下仿真模型,在Hypermesh中對(duì)玉米芯進(jìn)行三維實(shí)體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元數(shù)729,節(jié)點(diǎn)數(shù)223;材料屬性材料密度設(shè)為0.355g/cm3,泊松比設(shè)為0.35,彈性模量為54.573MPa。對(duì)玉米芯擠壓件為剛體選擇材料為MAT20,剛性材料,設(shè)玉米支撐件為地面設(shè)置為MAT20材料,剛性墻。玉米芯4種方式下受力仿真模型如圖5所示。

2.2 邊界條件設(shè)置

對(duì)于玉米芯受徑向壓縮和軸向壓縮,利用LS-DYNA關(guān)鍵字設(shè)置玉米芯與擠壓剛體、玉米芯與剛性墻surface to surface接觸;對(duì)于全部Part,設(shè)置零件自接觸Single surface、剛性墻為6自由度全約束;對(duì)于玉米芯受剪切和彎曲,設(shè)置相應(yīng)6自由度全約束,玉米芯與擠壓剛體surface to surface接觸。擠壓剛體利用關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION-RIGID給定強(qiáng)制位移5mm/min。利用控制卡片輸出沙漏能、截面力、質(zhì)量能及接觸力等。

圖5 玉米芯仿真模型

3 玉米芯仿真模擬結(jié)果分析

通過 LS-DYNA 求解器計(jì)算處理,最終獲得玉米芯不同分段4種受力工況下玉米芯和剛體之間的接觸力隨時(shí)間變化曲線,其接觸力的大小真實(shí)模擬了微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)的擠壓作用過程。玉米芯三分段4種受力方式下受力玉米芯和剛體之間的接觸力隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 玉米芯三分段4種受力方式下接觸力

由圖6發(fā)現(xiàn):玉米芯在4種受力方式下,每種受力對(duì)應(yīng)的玉米芯接觸力都是先增大,達(dá)到一定值以后下降,最大值即為玉米芯在這種受力方式下的破壞力。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn):玉米芯同一分段不同受力方式下其最大破壞力不同;同一受力方式下玉米芯不同分段破壞力大小不同;玉米芯不同分段不同受力方式下其受到最大破壞力對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)不同。

為進(jìn)一步分析玉米芯不同分段不同受力方式下受到的最大接觸力,最大接觸力和對(duì)應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如表1所示。

表1 不同工況下玉米芯受到接觸力最大值

續(xù)表1

玉米芯含水率為13.8%,仿真模型取每分段的中間20cm。

不同分段對(duì)玉米芯徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲時(shí)最大接觸力(破壞力)的影響規(guī)律如圖7所示。由圖7可知:玉米芯不同分段對(duì)玉米芯接觸力的影響顯著。

由圖7(a)發(fā)現(xiàn):徑向壓縮時(shí),最大接觸力沿軸向逐漸減小;由圖7(b)中發(fā)現(xiàn):軸向壓縮時(shí),最大接觸力沿軸向先增大后減小,中段最大,小端和尾端相近;由圖7(c)發(fā)現(xiàn):玉米芯受剪切力時(shí)最大接觸力沿軸向逐漸減小;由圖7(d)發(fā)現(xiàn):玉米芯受彎曲時(shí)兩種彎矩的最大接觸力均沿玉米芯軸向不同分段逐漸減小,其中同一分段下彎曲8cm的最大接觸力約為彎曲16cm的2.2倍。此結(jié)果與前試驗(yàn)研究文獻(xiàn)相同[12],證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖 7 分段對(duì)4種受力方式下玉米芯最大接觸力的影響Fig.7 Effect of segmentation on the maximum contact force of corn cob under four loading modes

4 結(jié)論

1)采用有限元分析軟件Hpyermesh/LS-DYNA對(duì)玉米芯不同分段在徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲4種不同受力方式下接觸應(yīng)力進(jìn)行分析,得到相應(yīng)數(shù)據(jù),相對(duì)于傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究節(jié)省大量人力物力成本。

2)結(jié)果表明:在4種受力方式下,每種受力對(duì)應(yīng)的玉米芯接觸力都是先增大,達(dá)到一定值以后下降,玉米芯同一分段不同受力方式下最大破壞力不同;同一受力方式下,玉米芯不同分段破壞力大小不同;玉米芯受彎曲時(shí),同一分段下彎曲8cm的最大接觸力約為彎曲16cm的2.2倍。