基于有限元的往复式刀具柠条平茬仿真及优化-《江苏农业科学》(2017年4期).docx

龙源版权所有 基于有限元的往复式刀具柠条平茬仿真及优化作者：邹德健 裴承慧 刘志刚 孙玉康 李妥来源：《江苏农业科学》2017年第04期 摘要：针对往复式双动刀灌木平茬机切削柠条时岔口质量差和刀具由于受力较大造成磨损严重的问题，提出了利用ABAQUS软件对柠条切割破坏过程进行动态模拟仿真的方法；进行了前进速度与刀具倾斜角不同参数组合的动态仿真模拟，根据刀具的受力及柠条的平茬综合效果确定了最佳参数组合为前进速度1.5 m/s，倾斜角6.5°；使用拓扑优化减轻了平茬刀具20%～30%的质量。在OptiStruct环境下加权均布载荷进行拓扑优化并将结果应用于实践，其试验结果表明设计结果可靠。 关键词：往复式；平茬；ABAQUS；柠条；拓扑优化 中图分类号：S224.9文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2017）04-0172-05 沙生灌木中的柠条是我国西北部防风固沙、治理沙化的主要植物，沙生灌木与其他林木相比，具有平茬复壮的生物学特性，即生长到一定年限后，需要对其进行平茬再萌发，否则将影响次年萌发，甚至停滞生长、枯死，故平茬作业是其生长过程中抚育管理的重要环节。 我国现阶段对灌木收割机械的研究还主要停留在试制法，且研究对象大多以气干材为主。试制法资金消耗高、周期长且数据需要多次测量[1]，气干材也不能很好地反映平茬作业的真实情况，因而笔者通过大量的实地调研并查阅了黄汉东等利用LS-DYNA对甘蔗切割进行有限元仿真分析[2]和刘金南等利用ANSYS对圆盘式切割装置进行有限元静态分析[3]等相关研究分析之后认为，柠条的切割破坏过程是复杂的非线性动态响应过程，既有结构破坏发生大位移时所产生的几何非线性，又有材料发生大变形时所表现出的材料非线性，因而对柠条平茬提出了双动刀往复式切割方式并针对其采用新的研究方法，即基于有限单元法技术的数值模拟方法：以往复式双动刀为基础，柠条为研究对象，建立对时间变化积分的显示动力学切割模型，利用ABAQUS软件对柠条切割破坏过程进行动态模拟仿真。 隨着信息技术的不断发展，CAE技术得到了广泛应用，已经成为支持工程行业发展和科学研究的主导技术，但是在农牧业领域的发展相当滞后，本试验采用数值模拟的方法对灌木收割机械切割器的研究是CAE技术在农业领域的一次探索，为沙生灌木切割的破坏过程研究提供指导，并为沙生灌木切割装备的研制提供了一种新的方法。 1平茬仿真模拟 1.1材料参数及屈服准则的确定 木材弹性常数是反映木材刚度的特征参数，是用数学模型对木材性质进行表征的必要前提。柠条是天然的生物质资源，通过对其底部根茎进行力学特性试验研究 1947年Hill将各向同性材料常用的von Mises理论推广到各向异性材料中，即Hill屈服准则，该屈服准则适用于正交各向异性材料，形式简单[8]，因而切割模型的屈服准则选用Hill屈服准则，损伤因子选0，以保证当单元达到一定变形量时可以准确地表达出材料的力学性质以及断裂准则。 1.2刀具、柠条尺寸的选取以及网格划分 模拟仿真过程选用ABAQUS软件，其计算非线性问题的过程与LS-DYNA软件相比较稳定，同时达索公司对软件加入了半经验程序来修正结果。在ABAQUS前处理中建立切割模型，建模时根据实际切割情况，对双动刀模型进行了如下简化： （1）因刀片倾角α=16°～20°，无法满足网格单元的质量检测，所以将刀具模型的刃部简化成阶梯型来近似替代。 （2）标准刀具上有2个固定孔，由于本身在平茬过程中不与柠条直接接触且在有限元分析中需要对圆孔进行特殊处理，来满足矩阵计算，故根据圣维南原理将此2圆孔省略[9]。 （3）对于柠条尺寸的选取，根据柠条在沙漠的生长情况与外形特点，将沙柳的几何形状简化为等截面的圆柱状直杆。 划分网格软件选用HyperMesh软件，其强大的网格划分功能不仅可以不用满足图形特定的拓扑关系，使网格过渡性良好[10]，而且为划分结构性网格提供保证。 （1）柠条网格单元类型采用C3D8R[11]，由于在刀具剪切过程中，柠条发生大变形，故柠条网格划分采用“铜钱”画法来充分保证网格质量[12]，其Jacobian值应该保证在0.8以上。 （2）双动刀网格单元类型采用C3D8I，在切削过程的关键部位刀具刃口处尽可能划分高质量的正方体网格以保证计算精度，而在非关键部位的非刃口处可以适当降低网格数量以减少不必要计算[13]。 1.3侵蚀定义和边界条件的设定 双动刀削切柠条属于侵蚀问题，接触类型选择通用接触，同时设定柠条内部自接触，来保证不同表面可以实现接触而不会导致软件不断探索接触表面[14]及防止计算时报错；设置分析时间为0.001 4 s，输出间隔为100，以防止输出文件过于庞大，法向行为与切向行为参数保持默认，同时勾选N