張遠東王東偉何曉寧尚書旗石智文張春曉李冬杰左百強

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

中國是世界花生生產(chǎn)大國,播種面積僅次于印度,居全球第二位,而總產(chǎn)量、總消費量和出口量均居世界首位[1]?；ㄉ俏覈秤糜蛠碓粗?總產(chǎn)、單產(chǎn)和出口量一直位居油料作物之首[2],其重要性不言而喻?；ㄉ鳛橹匾慕?jīng)濟作物和油料作物,無論是直接使用,還是進一步將其加工成各種產(chǎn)品,都需要對花生果進行脫殼,脫殼是花生發(fā)揮其重要價值必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。在對花生莢果機械脫殼和清選過程中,因力學(xué)特性而產(chǎn)生的損傷較大,容易出現(xiàn)花生仁破損或者隱性損傷,只能用于榨油和食用加工,而不適合種用[5-6],且因為完整的種皮遭到破壞,易導(dǎo)致花生仁脫脂、霉變,產(chǎn)生黃曲霉毒素[7-8]。因此,研究花生莢果的力學(xué)特性十分必要。

近年來,為了進一步降低花生莢果脫殼過程中花生籽仁的破損率,國內(nèi)外學(xué)者對花生莢果的物理特性、力學(xué)特性以及損傷機理進行了深入研究。楊亞洲等以?；?號為研究對象,對花生仁進行靜態(tài)壓縮試驗,分析花生仁的壓縮特性和剪切特性[9];丁彬等以三種不同果型的花生莢果為試驗對象,研究不同含水量下對機械脫殼的影響[10];王京等研究花生品種、受力位置對花生莢果損傷力學(xué)特性的影響,并對花生仁建模后進行有限元仿真分析,研究了花生仁的靜壓力學(xué)特性[11];侯俊銘等對花生莢果進行建模并進行有限元仿真,分析花生莢果的破殼力和變形量[12];Fasina等通過模具將花生殼制成顆粒,測量顆粒的水分含量變化,建立GAB模型研究花生殼顆粒物理特性[13];Guezel等以多種不同的表面接觸材料為研究對象分析花生莢果在脫殼時的脫殼壓力[14]。綜上所述,目前對花生莢果脫殼的研究取得了一定的成果,但是對于花生莢果的有限元仿真方面,尚且缺乏一定的研究。

本文采用Workbench中的LS-dyna模塊仿真分析花生莢果脫殼的動態(tài)過程,對花生莢果脫殼瞬時受力進行分析,為花生脫殼機械的設(shè)計研發(fā)提供技術(shù)參考和理論依據(jù),并通過試驗驗證結(jié)果的真實性和可靠性。

1 仿真模型的建立

1.1 花生莢果基本物理參數(shù)試驗與設(shè)定

以山東膠州試驗田主要種植的宇花14號為研究對象,具體試驗參數(shù)見表1。隨機選取2021年9月收獲的花生莢果500個,使用游標卡尺對花生莢果三軸尺寸(圖1)進行測量,所得花生莢果樣本的尺寸范圍:長度(l)區(qū)間(27.15 mm,35.36 mm),寬度(w)區(qū)間(10.54 mm,15.56 mm),厚度(t)區(qū)間(12.68 mm,28.27 mm)。分別取三軸尺寸的平均值作為花生莢果模型的三軸尺寸31.25 mm×13.05 mm×20.47 mm。

表1 花生莢果材料參數(shù)Table 1 Material physical parameters of peanut pod

圖1 花生莢果三軸尺寸Fig.1 The triaxial dimensions of peanut pod

花生脫殼效果與含水率有關(guān),查閱相關(guān)文獻[10]得到花生莢果在含水率為18%時脫殼效果較好,通過物相分析儀控制花生莢果含水率為18%,求得此時花生莢果剪切模量為7.2×107Pa,泊松比為0.35,密度為400 kg·m-3?；ㄉv果彈性模量可以根據(jù)泊松比和剪切模量的關(guān)系近似求出,如式(1)所示。

式中:T為花生莢果剪切模量/Pa;E為彈性模量/Pa;λ為泊松比。

抗壓強度為花生莢果在受壓破裂時的極限應(yīng)力,可由式(2)求出:

式中:σbc為花生莢果抗壓強/MPa;Fmax為花生莢果壓縮極限載荷/N;A為壓縮接觸截面面積/mm2。

1.2 花生莢果模型的建立

花生殼是一種均質(zhì)材料,為了理論分析與仿真模擬,將模型看作各向同性的線彈性材料。本文以宇花14號花生為研究對象,根據(jù)三軸尺寸(見表1)經(jīng)過適當簡化,在三維制圖軟件Solidworks中建立單個花生莢果的三維仿真模型,如圖2所示。

圖2 花生莢果三維模型Fig.2 3D model of peanut pod

1.3 花生莢果力學(xué)分析

脫殼滾筒和凹板篩是整個花生脫殼機構(gòu)的關(guān)鍵部件。脫殼滾筒和凹板篩之間形成的弧形空腔組成花生脫殼室,通過調(diào)整脫殼滾筒軸的位置調(diào)節(jié)脫殼室間隙,以適應(yīng)不同花生莢果脫殼作業(yè)的需求。在進行脫殼作業(yè)時,脫殼滾筒由變速電機帶動轉(zhuǎn)動,花生莢果從漏斗喂入,進入脫殼腔中,經(jīng)過脫殼滾筒與凹板篩的擊打擠壓實現(xiàn)花生脫殼工作,花生莢果受力情況如圖3所示。

圖3 花生莢果受力分析Fig.3 Stress analysis of peanut pod

根據(jù)圖3花生莢果受力關(guān)系可知:

式(5)中:m為花生莢果質(zhì)量/kg;g為重力加速度/(m·s-2)。

由式(3)、(4)分析可知,花生莢果受力與花生莢果所處脫殼腔位置及此時脫殼間隙有關(guān)。在花生莢果受力分析中,花生莢果所受滾筒打擊力F2與脫殼滾筒轉(zhuǎn)速有關(guān),脫殼滾筒轉(zhuǎn)速越大,對花生莢果的打擊力越大,花生莢果所受摩擦力也越大,越有利于脫殼作業(yè),但是轉(zhuǎn)速越大,對花生果仁的破壞越大,因此滾筒轉(zhuǎn)速不能過大,結(jié)合前期花生脫殼樣機試驗確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍150~400 r/min。

1.4 花生莢果脫殼機構(gòu)模型的建立

本文采用滾筒凹板篩式花生脫殼機構(gòu)為試驗樣機,使用三維制圖軟件Solidworks進行建模,脫殼滾筒模型簡圖如圖4所示。

圖4 花生莢果脫殼機構(gòu)簡圖Fig.4 Peanut pod shelling structure diagram

1.5 花生莢果碰撞模型的建立

如果將整個花生脫殼機構(gòu)建模作為單個花生莢果碰撞模型,會增加整個仿真的復(fù)雜性;由于花生莢果體積相對脫殼套筒來說較小,接觸面積較小,因此只需要仿真模擬單個打板工作。所以,本文將花生莢果碰撞模型簡化為單個花生莢果與單個打板的仿真模擬。分別設(shè)置三種花生碰撞方式(頂面、正面、側(cè)面)的仿真,模型如圖5所示。

圖5 花生莢果不同碰撞方式仿真模型Fig.5 Peanut pod simulation model of different collision modes

2 花生莢果碰撞仿真模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

使用Hyperworks前處理軟件Hypermesh對碰撞模型進行網(wǎng)格劃分,仿真模型網(wǎng)格總數(shù)量為28 041,其中,套筒網(wǎng)格數(shù)12 413,花生莢果網(wǎng)格數(shù)為15 628,網(wǎng)格劃分后模型如圖6所示。

圖6 仿真模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Drawing grid with simulation model

2.2 仿真程序設(shè)定

在Hypermesh劃分完網(wǎng)格之后將文件導(dǎo)入Workbench LS-dyna模塊進行碰撞仿真,在LS-dyna中設(shè)定模型的材料屬性,并分別賦予花生莢果和打板;為模擬花生莢果在沖擊載荷下的受力情況,將套筒設(shè)三個恒定轉(zhuǎn)速:190、200、210 r/min,對花生莢果底部添加固定約束;本試驗仿真相對簡單,只需設(shè)置花生莢果脫殼工作碰撞時接觸部分的面與面接觸及各部件的自接觸,在LS-dyna設(shè)置Surface to Surface和Single Surface兩種接觸。最后設(shè)定仿真時間1 ms,輸出接觸力、定向變形、質(zhì)量能等。

3 花生莢果碰撞仿真模擬結(jié)果及分析

對打板施加不同轉(zhuǎn)速(190、200、210 r/min)時,分別打擊莢果不同位置(正面、頂面、側(cè)面),此時花生莢果不同受力情況隨碰撞時間變化折線圖見圖7。圖7中,(a)、(b)、(c)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為190 r/min時花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況,(d)、(e)、(f)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為200 r/min時花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況,(g)、(h)、(i)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為210 r/min時花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況。圖7可看出:在打板擊打花生莢果的過程中,在二者接觸瞬間花生莢果表面開始受到?jīng)_擊力,經(jīng)過一段時間,花生莢果受力開始增加直到最大值,緊接著花生莢果變形越來越大,阻礙所受沖擊力的作用,此時打擊力逐漸變小。不同條件下花生莢果所受最大打擊力的時間及此時作用力的數(shù)值如表2所示。

圖7 花生莢果不同受力情況Fig.7 Different stress conditions of peanut pod

表2 花生莢果所受最大打擊力Table 2 Maximum strike force impact on peanut pod

由表2可知,不同轉(zhuǎn)速、不同受力位置下花生莢果受力最大的時間點不同,這是由于在前期建模時打板和花生莢果的初始距離不一致所導(dǎo)致,但是并不會影響到最終結(jié)果。結(jié)合圖7,可見折線圖中同樣存在一段受力為零的時間段,這一段時間為打板運動至與花生莢果表面接觸,從而導(dǎo)致不同條件下花生莢果最大受力時間點的不同。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加,花生莢果正面、側(cè)面、頂面三個位置受力逐漸增大。在保證打擊位置一定的條件下,滾筒打板轉(zhuǎn)速越大,花生莢果所受到的打擊力越大;在保證轉(zhuǎn)速一定的條件下,花生莢果頂面部位受力最小,側(cè)面部位受力最大,正面部位受力介于二者之間。這是因為當花生莢果受滾筒打板擊打時,側(cè)面相對于頂面和正面較厚且接觸面積最大,阻擋滾筒打板擊打能力較強。仿真結(jié)果與實際情況相符合,結(jié)果真實可靠。

4 試驗驗證

本試驗在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實驗室進行,試驗儀器為微機控制電子萬能試驗機,試驗材料為山東膠州青島農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地種植的高油花生新品種宇花14號。使用谷物紅外水分測定儀測定花生莢果的含水率,取(18±0.3)%的花生莢果進行試驗。分別對花生莢果正面、側(cè)面、頂面進行三組壓縮試驗,每組重復(fù)10次,以2 mm/min為加載速度,試驗過程如圖8所示。

圖8 三向壓縮試驗Fig.8 Triaxial compression test

為減小誤差,計算機觀測數(shù)據(jù)結(jié)果,取平均值,圖9分別為花生莢果三個位置受壓縮時載荷—位移變化曲線?？芍?花生莢果三個位置受壓縮實現(xiàn)破殼時,側(cè)面受力最大,臨界破裂載荷近似于54 N,頂面受力最小,臨界破裂載荷近似于17 N,正面受力介于二者之間,臨界破裂載荷近似于36 N?？梢钥闯?當花生莢果受到臨界載荷達到最大值時,載荷—位移曲線發(fā)生突變,此時花生莢果殼發(fā)生破裂。相比LS-dyna仿真結(jié)果,壓縮試驗得出三位置受力結(jié)果偏小,這與速度大小有關(guān),結(jié)果可靠。

圖9 載荷—位移變化曲線Fig.9 Loading-displacement variation curves

5 結(jié) 論

①以滾筒凹板篩式花生脫殼機為試驗研究對象,采用Workbench中LS-dyna碰撞有限元分析模塊對花生莢果脫殼過程進行動態(tài)仿真模擬,相比較Workbench靜力學(xué)仿真更加具有真實性與準確性,降低了傳統(tǒng)試驗研究的成本。

②本研究使用Solidworks三維制圖軟件建立仿真模型,通過單因素試驗法進行碰撞有限元分析,得到不同轉(zhuǎn)速、不同擊打位置時花生莢果脫殼受力情況。

③ 通過仿真試驗得到:轉(zhuǎn)速一定的情況下,花生莢果不同位置所受到的擊打力大小不同,其中,花生莢果頂面受力最小,側(cè)面受力最大;在受力位置一定的情況下,隨著脫殼滾筒轉(zhuǎn)速增加,每個位置所受到的擊打力也會逐漸增大。