柔性條鞭打戈寶麻葉過程的有限元分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

柔性條鞭打戈寶麻葉過程的有限元分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文提高戈麻打葉經(jīng)過脫葉率、減少發(fā)動機(jī)功率消耗是設(shè)計(jì)戈寶麻采葉機(jī)所必須考慮的問題.戈寶麻全身是寶,是野生高級纖維植物,是生長在我們國家北方鹽堿、沙荒地和河灘地的一種抗逆性很強(qiáng)的多年生宿根草本植物.其適應(yīng)范圍廣,根蘗能力強(qiáng),易構(gòu)成塊狀連片植物群落,同時還具有獨(dú)特的保建功能,是理想的綠化植物和經(jīng)濟(jì)植物,開發(fā)利用潛力宏大[1].通過過去和最近幾年對羅布麻和戈寶麻一些研究文獻(xiàn)的分析表示清楚,戈寶麻采葉機(jī)器的研發(fā)還處于起步階段.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)針對戈寶麻葉子的力學(xué)特性和生長外形,對其采葉器進(jìn)行了研制,總質(zhì)量不超過120kg,并根據(jù)預(yù)備實(shí)驗(yàn)的效果初步設(shè)計(jì)出戈寶麻的采葉機(jī)構(gòu),如此圖1所示.圖1中,兩水平移動機(jī)構(gòu)帶動壓滾互相地往里運(yùn)動,進(jìn)而對中間戈寶麻產(chǎn)生擠壓作用;高速旋轉(zhuǎn)的柔性條對壓滾間的戈寶麻葉子進(jìn)行鞭打,使其脫落.在設(shè)計(jì)柔性條機(jī)構(gòu)及確定相關(guān)參數(shù)的經(jīng)過中,需要測得柔性條在不同速度及方向鞭打戈寶麻時葉脈處產(chǎn)生的毀壞力.如今采用的較為普遍的方式方法是通過試驗(yàn)測量[2-4],需要建立具有一定規(guī)模的試驗(yàn)平臺,成本較大,而且試驗(yàn)周期較長[5-6];而采用有限元仿真的方式方法對戈寶麻采葉機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)則能夠大大降低試驗(yàn)費(fèi)用,縮短開發(fā)周期.當(dāng)前,利用有限元的方式方法對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)過中的切割器進(jìn)行仿真還只是處于起步階段,還沒有能夠?qū)η懈罱?jīng)過中的刀具與被切割對象的復(fù)雜互相作用進(jìn)行較為有效的模擬[7-9].本文的主要研究工作是利用有限元軟件LS_DY-NA對柔性條鞭打戈寶麻葉經(jīng)過進(jìn)行仿真,在一定范圍內(nèi)得出不同速度和打葉方向?qū)θ~脈處最大毀壞力的關(guān)系,為采葉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供根據(jù).1仿真模型的建立1.1材料模型的建立戈寶麻葉子由葉片與葉脈組成,而葉脈與葉梗連接.葉子與葉脈采用一樣的材料模型-單向復(fù)合材料模型,并且各自使用不同的力學(xué)參數(shù).柔性條材料是尼龍PA66,在ls_dyna上使用非線性彈性材料BLATZ-KO,該材料需要定義剪切模量.通過WD-E精致細(xì)密型微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測出葉片、葉脈、葉梗的彈性模量以及尼龍條的剪切模量,通太多次測試取平均值,測試次數(shù)為每種50次.1.2建立幾何模型與劃分網(wǎng)格根據(jù)文獻(xiàn)的記載,戈寶麻的葉形為橢圓狀披形至矩圓狀卵形,葉序?yàn)閱稳~對生,分枝處?；ド?成熟的葉片長約為4cm,葉寬約為1.4cm,葉柄長約為4mm,葉子厚度為0.2mm;葉脈與梗相連;戈寶麻的梗直立生長,直徑約為2~3mm[10-11].由圖1可知,采摘的時候,上下滾筒對戈寶麻進(jìn)行擠壓作用.對于戈寶麻梗來講,其上部與下部的位移因滾筒的擠壓而被約束住.因而,為簡化模型,梗的模型建立則取一段長約為3cm、直徑為2mm的梁所代替,如此圖2所示.柔性條采用長168mm、直徑4mm的圓柱實(shí)體.為了使計(jì)算簡化,對于葉脈和梗均采用梁單元beam161.根據(jù)前面的模型,在real中設(shè)置各梁單元直徑.葉片采用殼單元shell163,在real(實(shí)常數(shù))中設(shè)置殼單元的厚度為0.2mm.如此圖2所示,為了使葉片與葉脈能夠互相傳遞應(yīng)力,在劃分網(wǎng)格時采用同節(jié)點(diǎn)劃分.1.3建接觸定義和加載柔性條與葉片之間的接觸使用接觸算法*CON-TACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE.初始狀態(tài)的加載:對于柔性條給予一轉(zhuǎn)速度.當(dāng)柔性條碰撞到葉面的時候速度會下降;而實(shí)際上,柔性條固定在恒定轉(zhuǎn)速的固定盤上(圖1所示),當(dāng)柔性條碰撞到葉面時,華而不實(shí)部角速度也不會有太大的改變.為了符合試驗(yàn)的實(shí)際,在柔性條外面套上一恒轉(zhuǎn)速的圓柱剛體,其轉(zhuǎn)速與柔性條相等.剛體與柔性條之間的接觸仍使用上述算法.仿真經(jīng)過中為了到達(dá)脫葉的效果,葉梗與葉脈之間采用點(diǎn)焊連接.對于點(diǎn)焊,其失效準(zhǔn)則能夠表述為式中fN、fS-點(diǎn)焊的法向和切向力;SN、SS-點(diǎn)焊的法向毀壞力和切向毀壞力;EXPN、EXPS-效準(zhǔn)則中法向力和切向毀壞力指數(shù).為得到上述參數(shù),采用WD-E精致細(xì)密型微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī),測試出戈寶麻葉脈被拉斷時的拉力與其被切斷時的壓力.采用采樣測試,測得葉脈被拉斷時的拉力約為20.6N,葉脈被切斷時的壓力約為15.3N;法向力和切向毀壞力指數(shù)均設(shè)為1.2仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)為了優(yōu)化采葉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),到達(dá)較高的采葉率,需要算出不同打葉情況下戈寶麻葉脈的最大應(yīng)力.本仿真實(shí)驗(yàn)中考慮到4個因素會對葉脈處應(yīng)力的最大值有影響,分別是柔性條的轉(zhuǎn)速和3個打葉角度X、Y、Z.圖3講明了3個打葉角度所代表的方向.考慮到各因素之間有交互作用,采用4因素5水平的正交試驗(yàn).各因素取值如表2所示.仿真中,記錄各情況下葉脈處的最大應(yīng)力,分析轉(zhuǎn)速以及各個打葉方向?qū)θ~脈處產(chǎn)生的最大應(yīng)力能否有顯著影響.3仿真結(jié)果及分析3.1葉脈斷裂的形態(tài)及應(yīng)力分布采用試驗(yàn)中的速度范圍值,在切割經(jīng)過中刀具與甘蔗的互相作用時間約為0.1~0.5ms,由于作用時間比擬短,在實(shí)際試驗(yàn)中難以觀察到其具體的切割經(jīng)過;而通過有限元仿真,則能夠?qū)η懈罱?jīng)過做一個較為具體的觀察與分析.圖4(a)~(d)動態(tài)地顯示柔性條抽打戈寶麻葉片的經(jīng)過,圖4(e)~(f)為對應(yīng)的葉子應(yīng)力分布圖.該經(jīng)過能夠分為3個階段:第1個階段為接觸階段,如此圖4(a)所示.剛開場柔性條與葉片接觸,使得葉片發(fā)生了稍微的變型.葉片上的最大vonmiss集中在柔性條與葉片的接觸點(diǎn)上,此時的最大應(yīng)力約為7.3MPa.第2個階段為柔性條與葉片之間的拉扯階段,如此圖4(b)和圖4(c)所示.由于剛開場柔性條與葉片的碰撞,造成葉片有離開柔性條的趨勢,使得兩者之間的應(yīng)力降低.如此圖4(b)中,在t=1.2ms時最大應(yīng)力下降到6.8MPa左右;隨著中間剛體的作用,柔性條轉(zhuǎn)速有加速的趨勢,使得葉片的應(yīng)力上升.從圖4(e)、(f)可看出葉子的vonmiss有明顯的上升,最大值到達(dá)整個經(jīng)過的最高值約為7.8MPa左右.第3個階段為葉子的斷裂階段,如此圖4(d)所示.由于兩者的正壓力、摩擦力的作用以及柔性條的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,使得葉子有離開葉梗的趨勢.在葉梗處有明顯的變型,當(dāng)葉脈處的應(yīng)力到達(dá)葉脈與葉梗處的法向或切向的毀壞力時,葉子脫離葉梗.3.2柔性條擊打的角度以及轉(zhuǎn)速對葉脈處最大毀壞力的影響通過正交試驗(yàn)L25(54)考察不同的轉(zhuǎn)速(因素a)與不同的方向(因素b、c、d)對葉脈處最大毀壞力的影響.在ansys中使用ETABLE與PRETAB命令,能查出葉脈處的相關(guān)參數(shù).正交仿真試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.由表3可知,各因素對結(jié)果形響大小的排列為Z轉(zhuǎn)速XY.華而不實(shí),轉(zhuǎn)速以及因素Z、X的顯著值(即SIG值)均小于0.05,可知此三因素對結(jié)果的影響顯著.因素Y的顯著值大于0.05,因而因素Y的改變對結(jié)果的形響不顯著.由圖5能夠看出,葉脈處的應(yīng)力隨柔性條轉(zhuǎn)速的增高而增高.對于應(yīng)力影響最大的因素Y,當(dāng)Y=90時(即當(dāng)柔性條的旋轉(zhuǎn)中心與葉片在同一水平面時)到達(dá)最大應(yīng)力;而隨旋轉(zhuǎn)中心向上或向下達(dá)時,應(yīng)力急劇減少.當(dāng)旋轉(zhuǎn)中心與葉子幾乎在同一垂直位置時,應(yīng)力到達(dá)最小值.在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量使更多葉子與水平處的柔性刀進(jìn)行接觸,進(jìn)而到達(dá)更高層次的脫葉率.從因素X的趨勢圖中可知,當(dāng)柔性條鞭打的方向與葉片外表平行的時候應(yīng)力最小,垂直方向應(yīng)力最大.x=0時(即柔性條從上往下正打葉子)的應(yīng)力大于x=180時(即柔性條從下往上正打葉子)的應(yīng)力.因而,在實(shí)際的設(shè)計(jì)中應(yīng)采取從上往下打的方案,而且要采取策略使得葉子的葉面盡量地平行于柔性條.對于Y因素,由于影響不顯著,實(shí)際中可不予以考慮.4結(jié)論本文通過有限元軟件,在不同的柔性條轉(zhuǎn)速和角度條件下對戈寶麻葉子鞭打進(jìn)行了仿真分析.分析結(jié)果表示清楚:鞭打經(jīng)過中,柔性條轉(zhuǎn)速的變化、X向和Z向的改變對葉脈處應(yīng)力的影響較為顯著,而Y向的改變對葉脈處的應(yīng)力影響不大;應(yīng)力隨柔性條的轉(zhuǎn)速的增大而增大,在柔性條與葉片平行時,葉脈的應(yīng)力到達(dá)最高值.此仿真結(jié)果為本樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ),同時也減少了實(shí)際試驗(yàn)中的成本,對于后續(xù)的樣機(jī)改良也有一定的參考價(jià)值.以下為參考文獻(xiàn):[1]張秀玲.野生藥用纖維植物羅布麻[J].大自然,2006(4):42-43.[2]高楊堅(jiān),梁兆新,莫建霖,等.甘蔗切割器切割質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(5):60-64.[3]黃漢東,王玉興,唐艷芹,等.甘蔗切割經(jīng)過的有限元仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2018,27(2):161-166.[4]賈趙鋒.微型氣力式砍蔗器的設(shè)計(jì)與研究[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.[5]楊家軍,劉鋒,劉喜云.甘蔗收獲機(jī)切割器的動態(tài)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2000,19(6):923-926.[6]劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈切割力試驗(yàn)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