基于ANSYS的工業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

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

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基于ANSYS的工業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

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

工業大麻切割部件是收割過程中關鍵的部件，為了改善工業大麻莖稈切割器切割的質量及提高刀片的使用壽命。通過分析往復式切割部件的工作特性，結合工業大麻收割的條件要求，確定了切割部件的尺寸參數。同時，利用三維實體建模軟件 Creo 建立切割部件模型，導入有限元分析軟件 ANSYS 中進行顯示動力學分析，對切斷過程進行仿真分析，為工業大麻切割部件結構參數的優化設計提供了依據。

工業大麻；有限元分析；切割器

0 引言

對工業大麻切割過程進行顯示動力學(Explicit Dynamics)有限元分析，旨在采用先進的計算機技術動態模擬仿真割刀切割工業大麻莖稈的實際情況，了解工業大麻莖稈的破壞形式及破壞規律，驗證割刀結構參數設計的正確性，并為割刀的優化設計提供參考。

1 有限元及ANSYS軟件簡介

有限元法(Finite Element Method，FEM)是一種伴隨計算機的發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，早期只適用于連續體力學，隨著計算機技術的高速發展，其適用范圍開始變廣，逐漸應用到電磁場、熱傳導及流體力學等領域。有限元法的主要作用包括兩方面：一是鞏固理論基礎；二是精確地進行效力數據分析。在計算機技術高速發展的21世紀，有限元法的應用越來越廣闊，并在科學技術發展的領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：把一個連續求解的函數化成一組個數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系并按一定順序進行排列；轉化后單元只能通過節點相聯系，并且之后的計算也要通過結點來進行[1-3]。因為轉換后的單元可以按照不同方式進行連接與組合，且自身的形態又各不相同，因此能把復雜的問題簡單化，進行復雜形體精確的計算，并具有超強的適應性，所以得到了大部分科學技術人員的廣泛的認同。隨著計算仿真技術的高速發展，有限元分析方法適用的行業領域也越來越多，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軟件全部系列產品，友好、易操作的界面使仿真分析工作更加得心應手，大大提高了仿真效率[4-6]。本節主要是利用ANSYS Workbench工作平臺對割刀切割工業大麻莖稈的動態過程進行顯示動力學仿真分析。ANSYS是大型有限元分析軟件，包括：流體、磁場、電場、聲場及熔結構等方面，在核工業、航天航空、機械電子、石油化工、土木工程及軍工業等方面運用廣闊，已成為當今世界最大的有限分析軟件。近30年來， ANSYS企業專注于有限軟件的研究開發工作，并不斷吸收世界領先計算機技術和計算方法并加以改進，使其成為當今世界有限元界的領導企業，并得到了全世界的認同。

2 ANSYS分析理論基礎

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

(1)

式中M—結構質量矩陣；

C—結構阻尼矩陣；

K—結構剛度矩陣；

x—節點位置矢量；

F—載荷函數；

t—時間。

不計慣性與阻尼，且忽略與時間的關鍵項，假設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果分析

3.1 導入幾何體

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，因此工業大麻切割過程采用實體建模的方法。

由于割刀結構較復雜，不易在ANSYS Workbench仿真平臺建模，本文采用在三維建模軟件Creo中建立割刀和工業大麻莖稈的三維幾何模型，并導入ANSYS Workbench軟件中。割刀和工業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大麻莖稈。工業大麻莖稈的韌皮部和木質部直徑尺寸取測得的平均值，工業大麻莖稈平均外徑D為21.18mm，平均內徑d為10.53mm，韌皮部平均厚度h=0.57mm。

圖1 割刀和工業大麻莖稈的三維幾何模型

3.2 添加材料屬性

材料模型的選取關系著計算能否順利進行，直接影響著結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，根據工業大麻莖稈的材料的本構關系，工業大麻莖稈木質部和韌皮部都屬于正交各向異性彈性材料(Elastic Orthotropic)。根據工業大麻莖稈材料所具有的特性，將工業大麻莖稈各項材料特性參數分別添加至工具箱材料庫，其材料特性參數如圖2所示。

(a) 韌皮部特性參數

(b) 木質部特性參數

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，其只考慮沖擊目標面的節點。面面接觸是當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，因此接觸面與目標面的選擇可以是任意的。

由于工業大麻韌皮部和木質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，根據相關文獻提供的摩擦因數，在分析中設定韌皮部和木質部之間的靜摩擦因數為0.4，其余接觸面采用無摩擦接觸[11]。

3.4 網格劃分

割刀與工業大麻莖稈幾何模型導入之后，需要對其進行網格劃分以便生成包含節點和單元的有限元模型。網格劃分的目的是對結構模型實現離散化，把求解域分解成可能得到精確解的適當數量的單元[12]。由于本文有限元分析主要考察工業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，工業大麻木質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，苧麻木質部和韌皮部定義為柔性體。為節省計算時間，可適當粗化割刀模型網格尺寸。網格劃分后苧麻木質部有限元模型節點總數為2 828個，單元1 400個；韌皮部有限元模型節點數為6 969個，單元3 800個；單個割刀節點總數為1 391個，單元3 511個。網格劃分效果如圖3所示。

3.5 施加載荷和約束

ANSYS/LS-DYNA區分零約束和非零約束，對于非零約束應當按施加約束的條件來進行處理，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。由于工業大麻收割時根部固定在大地上，需對工業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載荷的數值參數指標，再將載荷施加到結構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 網格劃分效果圖

3.6 求解分析

通過求解可得工業大麻莖稈切割破壞應力和應變云圖，如圖4和圖5所示。

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

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

圖4 應力分析云圖

圖5 應變分析云圖

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

圖6為求解的莖稈最大應力-時間的曲線圖。圖6中顯示了明顯的3個分區，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定，并未發生較大波動。

圖6 莖稈最大應力-時間的曲線圖

4 結論

進行了工業大麻莖稈切割試驗的分析， 獲得不同切割刀片和切割狀態下的工業大麻的最大切割力和工業大麻莖稈的切割功耗。以最大切割驅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大麻莖稈為模型，利用ANSYS進行有限與分析是為了改善工業大麻莖稈切割器切割的質量及提高刀片的使用壽命。為此，通過分析往復式切割部件的工作特性，結合工業大麻收割要求，確定了切割部件的尺寸參數。同時，并利用三維實體建模軟件Creo建立切割部件模型，導入有限元分析軟件ANSYS 中進行顯示動力學分析，對切斷過程進行仿真分析，為工業大麻切割部件結構參數的提供了優化設計的依據。

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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

國家農業產業技術體系崗位任務(CARS-19-E22);中國農業科學院科技創新工程項目(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