孫思宇,李 瑞,楊明金,武逸凡,韓定強(qiáng),楊 玲*,張 濤,龐有倫

基于ANSYS Workbench/LS-Dyna的馬鈴薯殺秧裝置參數(shù)優(yōu)化

孫思宇1,李 瑞1,楊明金1,武逸凡1,韓定強(qiáng)1,楊 玲1*,張 濤2,龐有倫2

1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院, 重慶 北碚 400715 2. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 重慶 九龍坡 401329

針對(duì)我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械化水平較低，很多地區(qū)仍采用手工作業(yè)的方式清除馬鈴薯秧蔓，勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高且效率低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯殺秧裝置，運(yùn)用Solidworks進(jìn)行殺秧裝置的三維建模。通過ANSYS Workbench對(duì)殺秧裝置進(jìn)行模態(tài)分析以使工作頻率避開固有頻率，進(jìn)而避免殺秧裝置因共振而發(fā)生破壞。通過ANSYS Workbench/LS-Dyna對(duì)殺秧裝置的工作過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真，并以動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速、刀具刃角和前進(jìn)速度為試驗(yàn)因子進(jìn)行虛擬正交仿真試驗(yàn)，對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，獲得殺秧裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。結(jié)果表明，在動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速為1200 r/min、刀具刃角15°和前進(jìn)速度7 km/h時(shí)，峰值剪切應(yīng)力最低，此時(shí)，馬鈴薯秧蔓易于切斷。

馬鈴薯; 殺秧裝置; 參數(shù)優(yōu)化

馬鈴薯是僅次于小麥、水稻和玉米的世界第四大糧食作物，全世界有一百多個(gè)國(guó)家或地區(qū)種植馬鈴薯，馬鈴薯在糧食安全方面發(fā)揮著重要的作用[1]。目前馬鈴薯已經(jīng)成為我國(guó)第5大糧食作物。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)已成為世界上馬鈴薯總產(chǎn)量最多的國(guó)家，種植面積和產(chǎn)量占世界的23%～28%，居世界第一[2,3]。馬鈴薯的植株比較茂盛，在收獲前一般需要把薯秧進(jìn)行清除。對(duì)馬鈴薯進(jìn)行割秧，可以促進(jìn)馬鈴薯的嫩皮老化變硬，減少挖掘時(shí)對(duì)表皮的損壞，降低馬鈴薯的破皮率；減少機(jī)械挖掘時(shí)薯秧和雜草進(jìn)入到振動(dòng)篩上，避免機(jī)械化挖掘馬鈴薯時(shí)薯秧對(duì)收獲機(jī)具的纏繞；莖葉還田，可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力；有效提高馬鈴薯的收獲效率[4-6]。

目前清除薯秧的方法主要有人工割秧、藥物滅秧或者機(jī)械殺秧等。人工割秧的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，效率較低。藥物滅秧的優(yōu)點(diǎn)是殺秧效率較高、效果好，但是農(nóng)藥會(huì)殘留在薯秧上，可能會(huì)影響食用安全性[7]。目前采用最廣泛的殺秧方式是機(jī)械殺秧，這種方式既能避免農(nóng)藥的危害，還能降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高殺秧效率，對(duì)完善馬鈴薯田間生態(tài)環(huán)境管理和提高馬鈴薯的產(chǎn)量有重要的促進(jìn)作用。

我國(guó)是馬鈴薯生產(chǎn)大國(guó)，但不是生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力比較小。主要表現(xiàn)在我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)械化水平較低。目前，我國(guó)很多地區(qū)仍采用人工清除秧蔓，這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高。在馬鈴薯的機(jī)械化收獲方面，國(guó)外馬鈴薯殺秧機(jī)發(fā)展的比較早，到現(xiàn)在已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)和機(jī)器，國(guó)外很多發(fā)達(dá)國(guó)家早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化。而我國(guó)馬鈴薯綜合機(jī)械化率還沒有達(dá)到50%，尤其是馬鈴薯的機(jī)械收獲環(huán)節(jié)更是比較薄弱，機(jī)械化水平更低[8]。表現(xiàn)比較明顯的是我國(guó)的西南地區(qū)，其馬鈴薯產(chǎn)量和面積占比很大，但是綜合機(jī)械化水平卻比較低。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已有的馬鈴薯殺秧機(jī)存在效率較低、留茬高度不均勻、薯秧易于機(jī)器纏繞等問題。國(guó)外關(guān)于馬鈴薯殺秧機(jī)的產(chǎn)品很多，但主要適用于大塊地作業(yè)，難以適應(yīng)我國(guó)丘陵山區(qū)小地塊作業(yè)。另外國(guó)外馬鈴薯殺秧機(jī)價(jià)格比較昂貴，限制了其推廣應(yīng)用。因此，亟需開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的馬鈴薯殺秧裝置[9]。

本文基于ANSYS Workbench/LS-Dyna對(duì)馬鈴薯殺秧裝置進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，對(duì)殺秧裝置的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，能為馬鈴薯殺秧機(jī)的進(jìn)一步研究提供參考。

1 馬鈴薯殺秧裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

馬鈴薯殺秧裝置屬于旋轉(zhuǎn)式切割器，主要由動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架、動(dòng)刀片、定刀片組成，其中動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、分秧柱、動(dòng)刀支撐板組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在工作過程中，殺秧裝置隨動(dòng)力機(jī)械前進(jìn)，由分秧柱將馬鈴薯秧蔓分成不同的切割區(qū)域，在動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)和動(dòng)力機(jī)械前進(jìn)的共同作用下，將馬鈴薯秧蔓推向定刀片，最終完成切割作用。

1.動(dòng)刀支撐板 2.分秧柱 3.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4.定刀片 5.莖稈 6.動(dòng)刀片

2 馬鈴薯殺秧過程動(dòng)力學(xué)仿真及模態(tài)分析

為了研究馬鈴薯秧蔓在殺秧過程中的應(yīng)力和變形，本文基于ANSYS Workbench/LS-Dyna對(duì)馬鈴薯秧蔓的殺秧過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真以及模態(tài)分析。

2.1 模型導(dǎo)入

運(yùn)用Solidworks對(duì)殺秧裝置和馬鈴薯秧蔓進(jìn)行三維建模及裝配，馬鈴薯秧蔓主莖高度為100mm，主莖直徑為8 mm[10]，如圖1所示。圖中立式軸承座用于模擬動(dòng)力機(jī)械，將模型以（.x_t）格式保存，并導(dǎo)入ANSYS Workbench/LS-Dyna。

2.2 材料及屬性賦予

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，成熟期馬鈴薯秧蔓軸向抗拉強(qiáng)度為2.073 MPa，剪切強(qiáng)度為0.819 MPa，軸向抗壓強(qiáng)度為5.75 MPa，徑向抗壓強(qiáng)度為1.674 MPa，其泊松比為0.25[11]。在Workbench中建立新材料，并將材料參數(shù)賦予馬鈴薯秧蔓，殺秧裝置材料采用默認(rèn)結(jié)構(gòu)鋼。為減少仿真時(shí)間，提高仿真效率，將馬鈴薯秧蔓、動(dòng)刀片、定刀片設(shè)置為柔性體，將其余構(gòu)件設(shè)置為剛性體。

2.3 網(wǎng)格劃分

分別對(duì)馬鈴薯秧蔓、動(dòng)刀片和定刀片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在DM中對(duì)馬鈴薯秧蔓切割部分進(jìn)行切片處理并將切片后所得的各部分放入同一Part中，以使劃分后的網(wǎng)格在各部分連接處能夠保證共節(jié)點(diǎn)。為了保證仿真結(jié)果的精度并減少仿真計(jì)算時(shí)間，在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)馬鈴薯莖稈切割部分進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，劃分結(jié)果如圖2所示。對(duì)動(dòng)刀片和定刀片進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。剛體部分網(wǎng)格僅有顯示作用，不參與計(jì)算，劃分結(jié)果共有149614個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，51898個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計(jì)算需求。

圖2 馬鈴薯莖稈網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格劃分

2.4 施加約束

考慮殺秧裝置工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將動(dòng)刀片固定約束在動(dòng)刀支撐板上，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和軸承內(nèi)圈施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，對(duì)軸承座和定刀片施加水平方向的前進(jìn)速度并限制其他方向的自由度，添加接觸特性，將自動(dòng)接觸定義為侵蝕接觸。

2.5 模態(tài)分析

殺秧裝置工作時(shí)，動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架以一定的速度旋轉(zhuǎn)，其在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有[12]：

n=60f(1)

式中：n—臨界轉(zhuǎn)速（rad/s）；f—工作頻率（Hz）。

由式（1）可知，每一個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)一個(gè)工作頻率，為了避免動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架因固有頻率和工作頻率相近發(fā)生共振而導(dǎo)致的殺秧裝置破壞，需要對(duì)殺秧裝置進(jìn)行模態(tài)分析，以確定其固有頻率。由于動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的離心力，會(huì)對(duì)模態(tài)分析的結(jié)果造成影響，所以需要將動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架的轉(zhuǎn)動(dòng)考慮在內(nèi)，即進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析[13]。

首先對(duì)動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，依照實(shí)際工作狀況，限制其、及方向上的位移，對(duì)其施加繞方向上的600 r/min轉(zhuǎn)速，得到動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架的預(yù)應(yīng)力，再進(jìn)行模態(tài)分析，由于低階共振的危險(xiǎn)性高于高階共振，且更易于觸發(fā)[14]，所以本次只求取前6階低階振型，前6階振型云圖如圖4所示，動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架各階固有頻率如圖5所示。

圖4 動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)架前六階振型云圖

圖5 動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架前6階固有頻率

由圖4和圖5可知，動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架的一階固有頻率為84.677 Hz，第六階固有頻率為120.63 Hz，隨著階數(shù)的增加，動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架的各階固有頻率也不斷增大。由式（1）可以計(jì)算出，最低臨界轉(zhuǎn)速為5080.62 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架的工作轉(zhuǎn)速600 r/min～1200 r/min，而從圖4中可以得知達(dá)到四階固有頻率之后動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架才出現(xiàn)較為明顯的破壞，因此動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架在工作過程中不會(huì)因發(fā)生共振而破壞。由求得的模態(tài)結(jié)果可知，最大振動(dòng)位移主要發(fā)生在分秧柱和動(dòng)刀支撐板上，具體表現(xiàn)為分秧柱的彎曲和動(dòng)刀支撐板的扭曲及傾斜，這是因?yàn)樗麄兊膹?qiáng)度相對(duì)小于轉(zhuǎn)動(dòng)軸，但是在滿足使用要求的情況下無需進(jìn)行優(yōu)化。

3 仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

在馬鈴薯殺秧裝置的工作過程中，影響其切割效率的因素很多，主要包括殺秧裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和秧蔓本身的物理特性。而馬鈴薯秧蔓的物理特性已經(jīng)確定，需要通過改善殺秧裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，來提高其切割效率[15]。相關(guān)研究表明，刀具的切割速度和刃角對(duì)切割效率有著一定的影響[16]，而馬鈴薯殺秧裝置的切割速度由動(dòng)刀片的轉(zhuǎn)速和動(dòng)力機(jī)械的前進(jìn)速度共同組成，所以本文選取動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速、刀具刃角和前進(jìn)速度作為實(shí)驗(yàn)研究因素。農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間前進(jìn)速度一般為5 km/h，所以前進(jìn)速度的研究水平以5 km/h為中點(diǎn)上下等距浮動(dòng)，而刀具刃角過大不利于切割，過小則易于折斷，所以選取刀具刃角為15°～45°，動(dòng)刀片的轉(zhuǎn)速為600 r/min～1200 r/min，綜合考慮各因素所得因子水平表見表1。按照正交表L9（34）安排試驗(yàn)方案，運(yùn)用ANSYS Workbench/LS-Dyna對(duì)每次試驗(yàn)按照相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置時(shí)間為0.006 s，查看馬鈴薯莖桿在切斷過程中受到的剪切應(yīng)力，以峰值剪切應(yīng)力為優(yōu)化指標(biāo)，該指標(biāo)越小越好，峰值剪切應(yīng)力越小表明馬鈴薯莖稈越容易被切斷，可以降低切割能耗，提升切割效率，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表1 因子水平表

3.2 仿真結(jié)果分析

采用Excel軟件和SPSS軟件對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析，極差分析結(jié)果見表3。由極差分析的結(jié)果可知，各實(shí)驗(yàn)因子對(duì)峰值剪切應(yīng)力的影響主次為：刀具刃角B>動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速A>前進(jìn)速度C。最優(yōu)組合為A3B1C3，該組合也是表中最優(yōu)組合，即為第7次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，其峰值剪切應(yīng)力為1.42 MPa，仿真結(jié)果圖如圖6所示。切割過程中馬鈴薯莖桿所受到的剪切應(yīng)力如圖7所示。馬鈴薯秧蔓由粗纖維束組成，當(dāng)?shù)镀c粗纖維束接觸時(shí)，剪切應(yīng)力上升，反之，剪切應(yīng)力下降[17]。

方差分析結(jié)果見表4。由方差分析結(jié)果可知，刀具刃角B對(duì)峰值剪切應(yīng)力的影響顯著，動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速A和前進(jìn)速度C對(duì)峰值剪切應(yīng)力有一定的影響力，方差分析結(jié)果符合極差分析結(jié)果，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 極差分析

注：1j、2j、3j分別為各列1、2、3水平的峰值剪切應(yīng)力之和；1j、2j、3j分別為各列1、2、3水平的平均峰值剪切應(yīng)力。

表4 方差分析

注：顯著性水平=0.05。

圖6 仿真結(jié)束結(jié)果圖

圖7 剪切應(yīng)力圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款小型馬鈴薯殺秧裝置，利用Solidworks對(duì)其進(jìn)行了三維建模，采用ANSYS Workbench對(duì)動(dòng)刀轉(zhuǎn)動(dòng)架進(jìn)行模態(tài)分析，利用LS-Dyna對(duì)其工作過程進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真，選取動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速、刀具刃角和前進(jìn)速度作為影響因子，進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

（1）殺秧裝置的刀具刃角為影響剪切應(yīng)力的主要因子，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)刀具刃角越小峰值剪切應(yīng)力越小，越容易切割；動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度對(duì)峰值剪切應(yīng)力有一定的影響，動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速影響程度略大于前進(jìn)速度；

（2）殺秧作業(yè)的最優(yōu)組合為動(dòng)刀片轉(zhuǎn)速1200 r/min、刀具刃角15°、前進(jìn)速度7 km/h時(shí)，此時(shí)殺秧裝置對(duì)馬鈴薯莖稈的峰值剪切應(yīng)力最小，為1.42 MPa；

（3）通過正交試驗(yàn)仿真對(duì)馬鈴薯殺秧裝置的主要工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，能為馬鈴薯殺秧裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)優(yōu)化等提供基礎(chǔ)參考。

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Parameter Optimization of Potato Topping Device Based on ANSYS Workbench/LS-Dyna

SUN Si-yu1, LI Rui1, YANG Ming-jin1, WU Yi-fan1, HAN Ding-qiang1, YANG Ling1*, ZHANG Tao2, PANG You-lun2

1.400715,2.401329,

In view of the low of mechanization of potato harvesting in our country, manual work is still used to remove potato vines in many areas, which is labor-intensive, high-cost and low-efficiency. To solve these problems, this paper designed a device for potato topping. Three-dimensional modeling of the potato topping device was established by Solidworks software, and modal analysis of the topping device was carried out by ANSYS Workbench, so that the working frequency can avoid the natural frequency, so as to avoid the destruction of the topping device due to resonance. Through ANSYS Workbench/LS-Dyna, the working process of the topping device was simulated by explicit dynamic, and the virtual orthogonal simulation test was carried out with rotation speed of moving blade, cutter edge angle and forward speed as experimental factors. The range analysis and variance analysis of the simulation test results were carried out, and the optimal structure and working parameters of the topping device were obtained. Results show that the peak shear stress is the lowest when the rotating speed of the moving blade is 1200 r/min, the cutting edge angle is 15o and the forward speed is 7 km/h. At this time, topping work is easy.

Potato; topping device; parameter optimization

S225.7+1

A

1000-2324(2021)05-0799-06

2021-06-13

2021-06-28

重慶市科學(xué)技術(shù)局技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)(cstc2019jscx-gksbX0108)

孫思宇(1998-),男,碩士研究生,專業(yè)方向:機(jī)械設(shè)計(jì). E-mail:1044845200@qq.com

通訊作者:Author for correpondence. E-mail:yangyaoling2000@126.com