周 楊，李顯旺，沈 成，田昆鵬，張 彬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

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基于ANSYS的工業(yè)大麻莖稈切割的有限元分析

周 楊，李顯旺，沈 成，田昆鵬，張 彬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

工業(yè)大麻切割部件是收割過程中關(guān)鍵的部件，為了改善工業(yè)大麻莖稈切割器切割的質(zhì)量及提高刀片的使用壽命。通過分析往復(fù)式切割部件的工作特性，結(jié)合工業(yè)大麻收割的條件要求，確定了切割部件的尺寸參數(shù)。同時，利用三維實體建模軟件 Creo 建立切割部件模型，導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS 中進(jìn)行顯示動力學(xué)分析，對切斷過程進(jìn)行仿真分析，為工業(yè)大麻切割部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

工業(yè)大麻；有限元分析；切割器

0 引言

對工業(yè)大麻切割過程進(jìn)行顯示動力學(xué)(Explicit Dynamics)有限元分析，旨在采用先進(jìn)的計算機技術(shù)動態(tài)模擬仿真割刀切割工業(yè)大麻莖稈的實際情況，了解工業(yè)大麻莖稈的破壞形式及破壞規(guī)律，驗證割刀結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的正確性，并為割刀的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 有限元及ANSYS軟件簡介

有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)是一種伴隨計算機的發(fā)展而興起的一種新型計算方法，屬于計算機輔助工程的范疇，早期只適用于連續(xù)體力學(xué)，隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，其適用范圍開始變廣，逐漸應(yīng)用到電磁場、熱傳導(dǎo)及流體力學(xué)等領(lǐng)域。有限元法的主要作用包括兩方面：一是鞏固理論基礎(chǔ)；二是精確地進(jìn)行效力數(shù)據(jù)分析。在計算機技術(shù)高速發(fā)展的21世紀(jì)，有限元法的應(yīng)用越來越廣闊，并在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)域中扮演著重要的角色。

有限元法的主題思想是：積零為整，化整為零。其具體含義是：把一個連續(xù)求解的函數(shù)化成一組個數(shù)有限的單元組成的整體，且整體中每個單元都存在一定的聯(lián)系并按一定順序進(jìn)行排列；轉(zhuǎn)化后單元只能通過節(jié)點相聯(lián)系，并且之后的計算也要通過結(jié)點來進(jìn)行[1-3]。因為轉(zhuǎn)換后的單元可以按照不同方式進(jìn)行連接與組合，且自身的形態(tài)又各不相同，因此能把復(fù)雜的問題簡單化，進(jìn)行復(fù)雜形體精確的計算，并具有超強的適應(yīng)性，所以得到了大部分科學(xué)技術(shù)人員的廣泛的認(rèn)同。隨著計算仿真技術(shù)的高速發(fā)展，有限元分析方法適用的行業(yè)領(lǐng)域也越來越多，可以解決的問題也越來越廣。

ANSYS Workbench是ANSYS公司為用戶提供的一個界面友好的工作平臺，其集成和融合了ANSYS軟件全部系列產(chǎn)品，友好、易操作的界面使仿真分析工作更加得心應(yīng)手，大大提高了仿真效率[4-6]。本節(jié)主要是利用ANSYS Workbench工作平臺對割刀切割工業(yè)大麻莖稈的動態(tài)過程進(jìn)行顯示動力學(xué)仿真分析。ANSYS是大型有限元分析軟件，包括：流體、磁場、電場、聲場及熔結(jié)構(gòu)等方面，在核工業(yè)、航天航空、機械電子、石油化工、土木工程及軍工業(yè)等方面運用廣闊，已成為當(dāng)今世界最大的有限分析軟件。近30年來， ANSYS企業(yè)專注于有限軟件的研究開發(fā)工作，并不斷吸收世界領(lǐng)先計算機技術(shù)和計算方法并加以改進(jìn)，使其成為當(dāng)今世界有限元界的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，并得到了全世界的認(rèn)同。

2 ANSYS分析理論基礎(chǔ)

在彈性體中，節(jié)點載荷與節(jié)點位移、節(jié)點速度及節(jié)點加速度有關(guān)，動力學(xué)通用運動方程[7-10]為

(1)

式中M—結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；

C—結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；

K—結(jié)構(gòu)剛度矩陣；

x—節(jié)點位置矢量；

F—載荷函數(shù)；

t—時間。

不計慣性與阻尼，且忽略與時間的關(guān)鍵項，假設(shè)是線彈性材料行為使用小變形理論方程為

(2)

3 有限元模型的建立及仿真結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)入幾何體

計算機中建模常用的方法有三維模型線框、表面模型和實體模型3種。線框模型不能完全反映物體的全部信息；表面模型是用面的集合來反映物體特征信息，表面模型只能夠反映物體的外表面輪廓信息；實體模型能完整地反映出物體所具有的所有實體信息，是目前采用的最多的建模方法，因此工業(yè)大麻切割過程采用實體建模的方法。

由于割刀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易在ANSYS Workbench仿真平臺建模，本文采用在三維建模軟件Creo中建立割刀和工業(yè)大麻莖稈的三維幾何模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中。割刀和工業(yè)大麻莖稈的三維幾何模型如圖1所示，采用鋸齒形長刀雙刀片切割工業(yè)大麻莖稈。工業(yè)大麻莖稈的韌皮部和木質(zhì)部直徑尺寸取測得的平均值，工業(yè)大麻莖稈平均外徑D為21.18mm，平均內(nèi)徑d為10.53mm，韌皮部平均厚度h=0.57mm。

圖1 割刀和工業(yè)大麻莖稈的三維幾何模型

3.2 添加材料屬性

材料模型的選取關(guān)系著計算能否順利進(jìn)行，直接影響著結(jié)果的合理性與可靠性。因此，材料的合理選擇是模擬是否成功的重要條件。可用的材料模型主要包括：線彈性模型、非線性彈性模型、非線性無彈性模型、壓力相關(guān)塑性模型、泡沫模型、離散單元模型和剛性模型等。

在ANSYS Workbench中的Engineering Data工具箱中提供了大量的材料屬性，根據(jù)工業(yè)大麻莖稈的材料的本構(gòu)關(guān)系，工業(yè)大麻莖稈木質(zhì)部和韌皮部都屬于正交各向異性彈性材料(Elastic Orthotropic)。根據(jù)工業(yè)大麻莖稈材料所具有的特性，將工業(yè)大麻莖稈各項材料特性參數(shù)分別添加至工具箱材料庫，其材料特性參數(shù)如圖2所示。

(a) 韌皮部特性參數(shù)

(b) 木質(zhì)部特性參數(shù)

3.3 定義接觸類型

ANSYS中有50多種可以用來選擇的接觸分析的方法，可以柔體對柔體、柔體對剛體、剛體對剛體等接觸的問題進(jìn)行分析，可以用來分析接觸表面的固連失效、靜動力摩擦及流體與固體之間的界面等綜合問題的分析。

接觸算法是程序用來處理接觸面的方法，在顯示動力學(xué)LS-DYNA分析中有單面接觸、點面接觸和面面接觸3種不同的接觸面處理算法。單面接觸在一個物體的外表面與自身接觸或與另一個物體外表面接觸時使用。點面接觸是非對稱的，所以也是計算速度最快的接觸算法，其只考慮沖擊目標(biāo)面的節(jié)點。面面接觸是當(dāng)一個物體的面穿透另一個物體的面時使用的接觸算法，是完全對稱的，因此接觸面與目標(biāo)面的選擇可以是任意的。

由于工業(yè)大麻韌皮部和木質(zhì)部之間存在著生物粘著力，仿真分析時需在兩者之間的接觸面添加一定的摩擦力，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提供的摩擦因數(shù)，在分析中設(shè)定韌皮部和木質(zhì)部之間的靜摩擦因數(shù)為0.4，其余接觸面采用無摩擦接觸[11]。

3.4 網(wǎng)格劃分

割刀與工業(yè)大麻莖稈幾何模型導(dǎo)入之后，需要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以便生成包含節(jié)點和單元的有限元模型。網(wǎng)格劃分的目的是對結(jié)構(gòu)模型實現(xiàn)離散化，把求解域分解成可能得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元[12]。由于本文有限元分析主要考察工業(yè)大麻莖稈被割刀切斷破壞情況，刀片材料為合金鋼，相對工業(yè)大麻莖稈具有較高的硬度及強度，將割刀定義為剛形體，工業(yè)大麻木質(zhì)部和韌皮部定義為柔性體。

由于本文有限元分析主要考察工業(yè)大麻莖稈被割刀切斷破壞情況，刀片材料為合金鋼，相對工業(yè)大麻莖稈具有較高的硬度及強度，將割刀定義為剛形體，苧麻木質(zhì)部和韌皮部定義為柔性體。為節(jié)省計算時間，可適當(dāng)粗化割刀模型網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格劃分后苧麻木質(zhì)部有限元模型節(jié)點總數(shù)為2 828個，單元1 400個；韌皮部有限元模型節(jié)點數(shù)為6 969個，單元3 800個；單個割刀節(jié)點總數(shù)為1 391個，單元3 511個。網(wǎng)格劃分效果如圖3所示。

3.5 施加載荷和約束

ANSYS/LS-DYNA區(qū)分零約束和非零約束，對于非零約束應(yīng)當(dāng)按施加約束的條件來進(jìn)行處理，也就是說施加約束的約束值不能隨時間的變化而變化。約束可以用來固定模型中的某些部分。

為仿真實際切割情況，根據(jù)收割機割刀切割速度范圍，定義兩割刀相對切割運動速度都為1m/s。由于工業(yè)大麻收割時根部固定在大地上，需對工業(yè)大麻莖稈底部施加固定約束，方法是將模型中受載的部分定義成組件，并定義各個時間間隔及對應(yīng)載荷的數(shù)值參數(shù)指標(biāo)，再將載荷施加到結(jié)構(gòu)模型特定受載的部分上，使其自由運動受到約束的限制。

圖3 網(wǎng)格劃分效果圖

3.6 求解分析

通過求解可得工業(yè)大麻莖稈切割破壞應(yīng)力和應(yīng)變云圖，如圖4和圖5所示。

由圖4可知：割刀切割工業(yè)大麻時，工業(yè)大麻莖稈受到的最大應(yīng)力為3.178 6MPa。其中，工業(yè)大麻根部和割斷處上部也受到一定應(yīng)力作用，但不會對工業(yè)大麻莖稈割斷面周邊造成材料的破壞。

由圖5可知：工業(yè)大麻莖稈切割時只在割斷處產(chǎn)生較大的應(yīng)變量，其它部位基本無應(yīng)變，表明割刀切割時能很好地保證工業(yè)大麻莖稈的直立度。

圖4 應(yīng)力分析云圖

圖5 應(yīng)變分析云圖

由工業(yè)大麻莖稈動態(tài)割斷效果可知：割刀可一次性將麻稈割斷，割茬處莖稈斷裂較平齊，無扯皮及工業(yè)大麻莖稈破裂現(xiàn)象，切割效果較好。

圖6為求解的莖稈最大應(yīng)力-時間的曲線圖。圖6中顯示了明顯的3個分區(qū)，分別代表切割試驗時的3種情況下的曲線：擠壓階段、切入階段和切割完畢3個階段。這與實際的切割試驗相符，很好地反映了切割試驗過程中的3個切割階段。

擠壓階段由于擠壓作用導(dǎo)致切割力波動較大，切入階段和切割完畢兩個階段力的變化比較穩(wěn)定，并未發(fā)生較大波動。

圖6 莖稈最大應(yīng)力-時間的曲線圖

4 結(jié)論

進(jìn)行了工業(yè)大麻莖稈切割試驗的分析， 獲得不同切割刀片和切割狀態(tài)下的工業(yè)大麻的最大切割力和工業(yè)大麻莖稈的切割功耗。以最大切割驅(qū)動力和切割功耗最大的切割組合，鋸齒刃長刀片與雙刀片切割工業(yè)大麻莖稈為模型，利用ANSYS進(jìn)行有限與分析是為了改善工業(yè)大麻莖稈切割器切割的質(zhì)量及提高刀片的使用壽命。為此，通過分析往復(fù)式切割部件的工作特性，結(jié)合工業(yè)大麻收割要求，確定了切割部件的尺寸參數(shù)。同時，并利用三維實體建模軟件Creo建立切割部件模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中進(jìn)行顯示動力學(xué)分析，對切斷過程進(jìn)行仿真分析，為工業(yè)大麻切割部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的提供了優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

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Research of Industrial Hemp Mechanization Harvester Technology

Zhou Yang, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Zhang Bin, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Industrial hemp cutting parts are key components in the process of harvest. In order to improve the cutting quality of industrial hemp stem and prolong the life of blade, we analyze the operating characteristics of reciprocating cutting parts with ANSYS simulation software. By determining industrial hemp harvest requirements, we build 3D mold with CREO software. The mold is imported in the finite element analysis software ANSYS with dynamic analysis. For optimizing the design of the structural parameters of industrial hemp cutting blade, the simulation analysis was carried out during the cutting process. The analysis showed that larger strain capacity was produced only in the cut with other parts basically no strain when cutting hemp stalks, thus its vertical degree can be guaranteed and that the cutter can cut off hemp stalks one-time and the cutting effect was good enough, leaving no rips or openings on stalks.

industrial hemp; finite element analysis; cutter

2016-04-14

國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位任務(wù)(CARS-19-E22);中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目(2016-2020)

周 楊(1990-)，男，遼寧丹東人，碩士研究生，(E-mail)zhouyang901025@hotmail.com。

李顯旺(1961-)，男，湖北漢川人，研究員，(E-mail)xw3871@163.com。

S225.91+3

A

1003-188X(2017)05-0042-04