楊晨，陳永梅，吳騰偉，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

基于LS-DYNA的絞刀土壤切削仿真

楊晨，陳永梅，吳騰偉，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立絞刀和土體的有限元模型，應(yīng)用LS_DYNA的顯式動力學(xué)分析算法，對絞刀切削土壤的動力學(xué)過程進行模擬，得到絞刀在切削土體時功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，為絞刀-土壤切削研究提供一種新的手段和方法。

土壤；絞刀；有限元法；仿真分析

絞吸船的施工作業(yè)首先由絞刀完成，泥土只有被切削并形成碎塊才能被吸入。因此絞刀挖掘性能的好壞直接影響船舶生產(chǎn)效率和施工成本，是挖泥船最重要的部件之一[1]。

國外疏浚公司如美國的Esco公司和荷蘭的Vosta-lmg公司對絞刀的研究和制造技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但其研究成果均未公布。國內(nèi)開展相關(guān)研究的機構(gòu)較少，掌握的技術(shù)資料也比較匱乏，國內(nèi)絞刀設(shè)計和制造體系還沒形成，有些設(shè)計和制造還停留在模仿國外同類產(chǎn)品上，產(chǎn)品適應(yīng)性差。國內(nèi)急待建立起完整的絞刀設(shè)計和制造技術(shù)的理論體系[2]。而有限單元法作為一種高效的數(shù)值計算方法，可用于解決彈塑性變形、碰撞、材料失效、侵蝕等高度非線性問題，在采煤機、盾構(gòu)機以及螺旋開溝器的設(shè)計優(yōu)化中都有應(yīng)用[3-4]。本文借助LS-DYNA強大的非線性求解功能，采用Lagrange算法對絞刀土壤切削進行仿真模擬，分析絞刀在切削土體時功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，旨在為絞刀設(shè)計及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供一種新的手段和方法。

1 仿真模型建立

1.1 土壤模型

本文絞刀土壤切削模擬中采用LS-DYNA971中的MAT_147（MAT_FHWA_SOIL0）土壤材料本構(gòu)模型[5]，它是一種針對實體單元且考慮損傷的各項同性材料模型，該模型采用修正的Mohr-Coulomb準則，修正后的屈服面與Mohr-Coulomb屈服面呈雙曲線擬合，它與應(yīng)力主軸相交處是一個光滑面，并與應(yīng)力主軸垂直。模型擴展了含水率影響，變形率影響和單元刪除，其屈服面表示為：

上式中Ahyp取值對仿真的穩(wěn)定性非常重要，當Ahyp=0時上式恢復(fù)為標準的Mohr-Cloulomb屈服面。當采用較大值時，雙曲表面明顯偏離Mohr-Cloulomb屈服面，對數(shù)值模擬來講，Ahyp應(yīng)該取值小于ccot（φ）[6]。

本文所采用的土壤模型三維尺寸為5 000 mm× 3 800 mm×2 000 mm，采用全實體SOLID164單元，單元尺寸25 mm，共劃分了2 432 000個單元，采用Lagrange算法。土壤主要材料參數(shù)參照Lweis的材料手冊[6]。

1.2 絞刀模型

采用專用三維建模軟件Solidworks建立絞刀模型，并在ANSYS中調(diào)用。絞刀主要參數(shù)有絞刀外徑D、輪轂外徑d、刀臂外輪廓線包角Ω1、刀臂內(nèi)輪廓線包角Ω2、刀臂安裝角φ、刀臂外輪廓線高度H、刀臂內(nèi)輪廓線高度h等。

本文模擬計算采用3 500 m3絞吸船通用型絞刀，該絞刀主要用于挖掘淤泥、松散砂等較軟土質(zhì)。絞刀建模遵循線→面→體的原則。將刀臂看成沒有厚度的曲面，生成各刀臂的空間曲線，之后放樣形成刀臂外輪廓曲面，通過縫合生成刀臂實體。刀臂空間曲線由2個空間曲面相交而得，即由絞刀軸面和絞刀平面曲線方程確定，同理生成其他主要刀臂輪廓線，縫合生成刀臂實體。

刀臂輪廓生成之后根據(jù)刀齒的仰角、傾角確定刀齒安裝位置，為便于網(wǎng)格的劃分，對齒座進行了簡化處理，最后通過陣列和組合實體命令得到完整的絞刀分析模型（圖1）。

1.3 模型設(shè)定

1）絞刀和土壤全部采用SOLID164單元，為控制沙漏變形，采用全積分算法進行求解。

2）本次仿真主要目的在于得到絞刀在切削土體時功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，因而為簡化計算，將絞刀模型視為剛體模型MAT_RIGID，模型彈性模量2×1011Pa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

3）定義絞刀和土壤面面侵徹接觸（*ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE），為防止初始穿透，絞刀和土壤模型間有一定距離，定義絞刀部件為Contact，土壤部件為Target。

4）定義模型載荷，對絞刀而言共2個載荷，分別為絞刀自轉(zhuǎn)和橫移。根據(jù)實船施工工藝，絞刀橫移速度約0.21 m/s，絞刀轉(zhuǎn)速0.5 r/s，統(tǒng)一單位制3.14 rad/s，切削仿真時長25 s，切削長度5.25 m。采用*boundary_prescribed_motion_rigid關(guān)鍵字定義絞刀載荷。

5）定義模型邊界條件，由于實際土體為無限大三維空間，為消除有限元土壤邊界應(yīng)力波對仿真結(jié)果的影響，對土壤周邊及底面施加無反射邊界條件。同時對土體底面施加全約束，保留絞刀X方向移動和繞Z轉(zhuǎn)動自由度，約束其余自由度。

6）K文件修改，由于ANSYS/LS-DYNA軟件對LS-DYNA970支持并不完善，一些參數(shù)設(shè)定無法在前處理中直接添加。因此需對生成的K文件進行修改，添加相應(yīng)關(guān)鍵字再提交LS-DYNA971求解器進行求解。本文通過修改關(guān)鍵字文件添加土壤材料*MAT_147（*MAT_FHWA_SOIL）。

2 計算結(jié)果分析

2.1 切削功率分析

分析絞刀土壤模擬過程，如圖2所示。2 s之前絞刀處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，未切削到土體，消耗功率基本為0。2～7 s絞刀由開始的空轉(zhuǎn)到逐漸切削到土體，且隨著絞刀的橫移，切削量不斷增大，所消耗的功率從0開始逐漸增大，7 s后土壤全部進入絞刀切削半徑作用范圍內(nèi)，切削量不再增加，絞刀消耗功率不再增大，平均功率在110 kW左右。

絞刀切削過程中，其總能耗包括絞刀宏觀運動的動能和土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀運動所消耗的內(nèi)能。因仿真過程中絞刀動能基本保持不變，2 s前系統(tǒng)總能保持不變，之后絞刀接觸土壤，開始對土壤做功，克服土體變形和土體運動。隨著切土量的增加，系統(tǒng)總能耗不斷增加。將總切削能對時間求導(dǎo)，得到切削功率，從圖3中可以看出2 s前絞刀功率幾乎為0，2 s后絞刀功率逐漸增大，7 s后絞刀功率趨于穩(wěn)定，并呈周期性震蕩，最大功率160 kW，平均功率110 kW左右。

因為絞刀在轉(zhuǎn)動切削土體過程中，刀臂與刀臂之間存在切削間隔，刀臂切削土體為非連續(xù)性切削，且相鄰刀臂之間刀齒又呈間隔布置。因此，絞刀功率消耗曲線出現(xiàn)有規(guī)律的震蕩是符合實際工況的。本文計算采用的絞刀為挖泥和松散砂等軟質(zhì)土的絞刀模型，與梁鑫[7]等人模擬計算采用的絞刀模型略有不同。因此本文計算的結(jié)果略低于梁鑫等人采用的離散元法分析結(jié)果，但變化趨勢以及量級均與其一致，驗證了計算方法的可行性。

2.2 切削阻力分析

以絞刀輪轂頂面作為模擬分析XOY平面，絞刀橫移方向為X軸負方向，垂直于絞刀輪轂頂面指向絞刀大圈的方向為Z軸負向。絞刀土體切削過程中，X軸切削阻力曲線如圖4所示，自第2 s起絞刀開始切削土壤，切削阻力從0開始增大。隨著絞刀切土量的不斷增大，切削阻力逐漸上升，至第7 s切削過程穩(wěn)定，切削阻力不再增大，之后呈現(xiàn)周期性的震蕩。穩(wěn)定后的最大切削阻力43 kN，最小切削阻力15 kN，平均切削阻力25 kN。

絞刀產(chǎn)生的橫移阻力主要由橫移絞車平衡，參照代爾夫特大學(xué)提供的絞刀頭受力計算經(jīng)驗公式，切削過程時絞刀橫移阻力，正刀切削時Ch取0.6[8]。

根據(jù)上面絞刀功率模擬值計算轉(zhuǎn)矩M。

則依據(jù)經(jīng)驗公式求得的橫移阻力Fh=20.7 kN，可以看出模擬計算基本吻合經(jīng)驗公式。計算結(jié)果略大于經(jīng)驗公式，可能是由于模擬計算相對切削厚度比經(jīng)驗公式計算假定的相對切削厚度大造成的。絞刀三軸受力合力如圖5所示，受力變化規(guī)律與X軸受力相似，穩(wěn)定后呈周期性震蕩，最大受力45 kN，最小受力18 kN，平均受力30 kN。

2.3 切削產(chǎn)量分析

絞吸船工作過程中，切削產(chǎn)量的高低是評價絞刀性能的又一重要因素。本文的計算土壤網(wǎng)格為均勻正方體網(wǎng)格，計算過程中有關(guān)土壤侵徹破壞信息都記錄在messag文件中。通過查看messag文件可知本仿真計算共有550 736個單元破壞，因為單元網(wǎng)格為25 mm的正六面體，所以此次仿真計算總切削產(chǎn)量為：

Q=550 736×0.0253=8.6 m3

若不考慮從第2 s到第7 s不穩(wěn)定切削過程的影響，本計算有效切削時間t=23 s。則平均切削效率為：

2.4 土體應(yīng)力分析

通過絞刀土壤切削過程模擬，可以得到不同時刻絞刀土壤應(yīng)力分布云圖，因本文為加快計算速度，將絞刀視為剛體處理，因此計算結(jié)果只包含土壤應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

由于不同時刻絞刀切削阻力不同，導(dǎo)致不同時刻土壤最大應(yīng)力也不盡相同，最大應(yīng)力在10～ 40 MPa之間。從圖中可以看出絞刀土壤切削時，刀尖剪切擠壓土壤，土壤在刀齒作用下發(fā)生較大的變形，最終失效破壞，大應(yīng)力區(qū)大都集中在絞刀齒尖部位，這也說明絞刀土壤切削作用時刀齒齒尖會一致處于比較高的受力狀態(tài)，與實際施工時刀齒齒尖磨損破壞嚴重也較為一致。

沿絞刀橫移方向，在土體表面任取3個單元見圖3（a），A單元編號2394552，B單元編號2394617，C單元編號2378702。這些單元直接受到絞刀的切削作用，能充分表現(xiàn)土體在絞刀切削過程中的狀態(tài)，得到3點的應(yīng)力變化曲線如圖7所示。從中可以看出，3點變化趨勢大致相同，在絞刀刀齒接近切削作用點之前，土體在擠壓作用下應(yīng)力值緩慢增加，當絞刀齒運動到該單元所在位置時，應(yīng)力值急劇增加到某一峰值，該單元達到屈服破壞，單元失效被刪除，不再參與計算，應(yīng)力值降為0，這也符合黏塑性土的基本特性[9]。

3 結(jié)語與展望

本文通過有限元法對絞刀土體切削過程進行仿真探討，所得結(jié)果與現(xiàn)有理論基本一致，為絞刀土壤切削過程研究開辟了新的方法與思路，也為今后絞刀的設(shè)計優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)。

絞刀土壤切削是一個相當復(fù)雜的過程，目前尚無系統(tǒng)完整的研究理論。本文主要針對研究方法的可行性做出了初步探討。今后仍需對以下幾個方面做進一步研究。

1）將絞刀視為柔性體，研究不同位置刀齒受力、應(yīng)力、應(yīng)變情況，從而優(yōu)化刀齒結(jié)構(gòu)及排布：

2）對比分析不同刀臂輪廓絞刀切削能耗比，優(yōu)化絞刀刀臂輪廓型線。

3）分析不同材料本構(gòu)模型、材料參數(shù)對計算結(jié)果的影響，采用SPH法、ALE法等不同的求解方法使切削過程更加符合實際，進一步提高計算結(jié)果的準確性。

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Cutter-soil cutting simulation based on LS-DYNA

YANG Chen,CHEN Yong-mei,WU Teng-wei,HU Jing-zhao
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Using the software ANSYS/LS-DYNA to establish the cutter and soil finite element models.Using LS-DYNA explicit dynamic analysis algorithm to simulate the dynamic process of the cutter-soil cutting,we obtained the power consumption, cutting resistance and change rule of the equivalent stress when the cutter was cutting soil.This paper has provided a new mean and method for the cutter-soil cutting research.

soil;cutter;finite element method;simulation analysis

U662.9

A

2095-7874（2017）03-0070-05

10.7640/zggwjs201703015

2016-09-13

楊晨（1987— ），男，天津人，碩士，工程師，從事疏浚工程船舶用機械設(shè)備的研究和設(shè)計工作。E-mail：dmuyangchen@163.com