基于hyperpm的稻谷三維有限元模型的建立

基于hyperpm的稻谷三維有限元模型的建立

0稻米碰撞損傷的物理特征水稻進入脫?？臻g后，通過脫粒元的作用，水稻從水稻穗上脫下，形成自由粒，進行脫粒。在中國廣泛應(yīng)用釘齒滾筒的沖擊脫粒是水稻谷粒(以下簡稱稻谷)破碎和損傷的主要源頭。有損傷的稻谷種子發(fā)芽率低、易生蟲、霉變,干燥時易爆腰和加工時碎米增多,直接影響其經(jīng)濟價值和出口競爭力。以應(yīng)力裂紋為主要型式的稻谷內(nèi)部損傷比較隱蔽,相關(guān)研究沒有得到足夠的重視。目前國內(nèi)外關(guān)于水稻脫粒損傷以試驗研究為主,如Mitchell和Rounthwaite通過試驗發(fā)現(xiàn):濕度提高時,破碎率減少;打擊速度增加時破碎率則成比例增加。有的學(xué)者提出用裝有梳刷柔性齒的橡膠滾筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制滾筒,延長脫粒時間,試驗證明對水稻、小麥有一定的適應(yīng)性。上述研究缺少對脫粒元件和谷粒間作用過程的分析,無法揭示稻谷碰撞損傷的機理。本文通過構(gòu)建稻谷與脫粒元件的有限元模型,從接觸碰撞的角度,分析稻谷與脫粒元件碰撞過程中內(nèi)部應(yīng)力的變化,通過有限元分析獲得其碰撞損傷臨界速度,為揭示稻谷脫粒損傷機理以及脫粒裝置的優(yōu)化設(shè)計等提供依據(jù)。1元模型的構(gòu)建1.1糙米殼和稻殼與糙米間的相互關(guān)系有限元分析時可將稻谷看作為具有3層結(jié)構(gòu)的橢球體,外層為稻殼,里面為糙米,糙米外層為籽實皮,其余部分為胚乳,如圖1所示。稻殼與糙米之間,看作可相互移動(破殼)的有摩擦接觸。本文以武粳15稻谷的實際測量平均值為例進行建模(長度L=5.983mm,厚度H=3.541mm,寬度B=2.512mm,稻殼厚0.030mm,籽實皮厚0.050mm)。1.2材料單元的設(shè)置將生成的模型保存為Iges格式,導(dǎo)入到HyperMesh中建立稻谷的有限元模型。稻殼為等厚度獨立薄殼,取其單元類型為Shell163。Shelll63是一個用于顯式動力學(xué)分析4節(jié)點薄殼單元,具有彎曲和膜特征,可加平面和法向載荷,默認(rèn)算法為Belytschko—Tsay單點積分的殼單元算法。籽實皮和胚乳物理結(jié)構(gòu)上是融為一體的,有限元分析時看作節(jié)點相連,取其單元為Solidl64。之所以將糙米分成籽實皮和胚乳2部分,主要是依據(jù)其力學(xué)特性不同,可方便設(shè)置其彈性模量、屈服強度等參數(shù)。實體單元Solidl64是用于三維顯式結(jié)構(gòu)實體單元,由8個節(jié)點構(gòu)成,默認(rèn)為單點積分算法,也可以在單元屬性設(shè)置對話框中設(shè)置為全積分單元算法,這可以避免沙漏問題,但是計算時間將會增加數(shù)倍。同樣將脫粒元件的單元類型設(shè)為Solidl64。設(shè)置正確合理的材料屬性和單元類型是進行CAE仿真分析的前提,在HyperMesh中可通過任意頁面下的collectors/creat/mats來創(chuàng)建、存儲和管理材料的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。需要注意的是HyperMesh中常用的長度單位為mm,時間單位為s,質(zhì)量單位為t,應(yīng)力、彈性模量單位為MPa。將稻殼、籽實皮和胚乳均視為各向同性的線性彈性體,稻谷相關(guān)材料屬性如表1所示。1.3維網(wǎng)格檢測網(wǎng)格密度分布也是重要的影響因素之一。為了保證CAE模型的質(zhì)量,在使用HyperMesh劃分網(wǎng)格的過程中,尤其是在由二維網(wǎng)格生成三維網(wǎng)格之前,要隨時使用Tool/checkelems/2-d菜單來檢查二維網(wǎng)格質(zhì)量,對于檢測到的形態(tài)不是很好的單元,可以先對其保存,然后通過2D/qualityindex/optimiz進行優(yōu)化處理,或通過editelements菜單中的工具進行手工局部調(diào)整。稻殼、籽實皮、胚乳的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示,其中稻殼由2044個單元、4084個節(jié)點組成;籽實皮由6132個單元、8168個節(jié)點組成;胚乳由5475個單元、26316個節(jié)點組成。1.4接觸界面接觸力接觸-碰撞屬于非線性問題之一,碰撞時,垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的。LS-DYNA程序處理接觸-碰撞界面主要有動態(tài)約束法、分配參數(shù)法、對稱罰函數(shù)法3種不同的算法。動態(tài)約束法采用碰撞和釋放條件的節(jié)點約束法、算法復(fù)雜,目前主要用于固連界面,用來將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的不協(xié)調(diào)2部分聯(lián)結(jié)起來。分配參數(shù)法主要用來處理如爆炸等接觸界面具有相對滑移而不可分開的問題。對稱罰函數(shù)在每一時間步先檢查各從節(jié)點是否穿透主表面,沒有穿透則對該從節(jié)點不作處理,否則引入一個較大的界面接觸力,稱為罰函數(shù)值。接觸力等于接觸剛度K和穿透量δ的乘積,2個物體的穿透量δ與接觸剛度K有關(guān)式中,fs為罰因子,k為接觸單元的體積模量,MPa。如果計算時發(fā)現(xiàn)有較大穿透量,可以改變fs的大小,以提高接觸剛度。實踐經(jīng)驗表明,如果罰因子fs超過1.0,可能會引起計算的不穩(wěn)定。為了分析方便,文中將脫粒元件釘齒設(shè)為固定,稻谷以一定的速度飛向脫粒元件,與之碰撞后分離。以脫粒元件表面為從面,稻谷表面為主面,接觸類型為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE考慮摩擦),取接觸罰因子為0.1,脫粒元件與稻谷的摩擦系數(shù)為0.4。稻殼與糙米之間的接觸類型為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE(考慮摩擦),取接觸罰因子為0.1,稻殼與糙米之間的摩擦系數(shù)也為0.4。根據(jù)不同的碰撞速度設(shè)定時間步長、中止時間等控制參數(shù)以及定義相關(guān)的輸出參數(shù)。2稻米內(nèi)部損傷稻谷以速度20m/s沿z軸與釘齒對心正碰如圖3所示。碰撞過程中,稻谷內(nèi)部中心剖面的Z-stress分布如圖4所示,圖中設(shè)置了放大倍數(shù),以增強稻谷變形的顯示效果。從稻谷中心剖面中的z-stress應(yīng)力分布可以看出,在t=54.98μs碰撞開始時刻,稻谷與釘齒接觸區(qū)受壓應(yīng)力(z-stress為負(fù)值),區(qū)域中心處應(yīng)力值最大,沿四周擴散并逐漸減小。非接觸區(qū)受拉應(yīng)力(z-stress為正值);隨著時間的增加,壓應(yīng)力區(qū)域逐漸增大,應(yīng)力值也同步增加,在t=75.97μs時達(dá)到最大壓縮時刻,此時最大壓應(yīng)力為55.78MPa,稻谷表層最大拉應(yīng)力為14.83MPa;此后將發(fā)生回彈,稻谷運動速度方向反向,壓應(yīng)力區(qū)開始縮小,應(yīng)力值也逐漸減小,但沒有隨稻谷離開釘齒馬上消失,而是以應(yīng)力波的形式在稻谷內(nèi)部傳輸,在邊界處發(fā)生反射,應(yīng)力波在傳播過程中逐步衰減。稻谷內(nèi)部損傷主要為籽實皮和胚乳受壓應(yīng)力形成的應(yīng)力裂紋。最大壓縮時刻,籽實皮和胚乳的VonMises等效應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5a、6a可以看出,接觸區(qū)域為橢圓,應(yīng)力最大值在接觸區(qū)域中。稻谷與釘齒以20m/s速度碰撞,在最大壓縮時刻籽實皮和胚乳的最大vonmises應(yīng)力分別為27.5079、26.9712MPa。由理論分析可知,糙米形成應(yīng)力裂紋等內(nèi)部損傷的臨界條件是其VonMises應(yīng)力為單軸壓縮時抗壓強度的1.6倍,稻谷與釘齒以20m/s速度碰撞時,籽實皮和胚乳的最大應(yīng)力均小于臨界值,故此時稻谷沒有形成內(nèi)部損傷。稻谷與釘齒以22、24、26、28m/s速度碰撞時,最大壓縮時刻籽實皮和胚乳的VonMises應(yīng)力如圖5、6所示。不同速度下的最大VonMises應(yīng)力曲線如圖7所示。從圖7可以看出,隨著碰撞速度的增大,籽實皮和胚乳的VonMises應(yīng)力值也增加,分布規(guī)律基本相同。由碰撞速度與最大VonMises應(yīng)力值變化曲線可知,胚乳臨界VonMises應(yīng)力值31.68MPa對應(yīng)的碰撞速度約24.2m/s。而籽實皮臨界VonMises應(yīng)力值63.36MPa對應(yīng)的碰撞速度要大得多。這表明,稻谷與釘齒碰撞損傷形成的應(yīng)力裂紋必是從胚乳先開始的,且多數(shù)應(yīng)力裂紋存在于胚乳內(nèi)部,無法擴展到籽實皮表面。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),水稻在自然生長過程中,微觀裂紋(下稱微裂紋)廣泛存在且經(jīng)過胚乳中心或近中心,大多數(shù)以胚乳中心呈放射狀分布。這也為稻谷應(yīng)力裂紋的擴展提供了可能,因此可以肯定稻谷與釘齒碰撞形成宏觀應(yīng)力裂紋是從胚乳中心或近中心擴展而成的,這與稻谷在熱、濕應(yīng)力場下,裂紋從稻谷中心擴展的顯微分析結(jié)論相一致。3材料的臨界壓力1)稻谷與釘齒接觸區(qū)域為橢圓,受壓應(yīng)力作用,應(yīng)力