往復式甘蔗切割器過程有限元仿真

許欣+尹志宏+孫先成+姜岱箐

摘要： 本文主要對有限元前處理軟件Hypermesh和動力學分析軟件LS-DYNA運用于往復式甘蔗切割過程的有限元仿真與建模分析，在Hypermesh中創建了甘蔗切割系統的有限元模型，并以K文件的格式導入LS-DYNA求解器進行動力學求解分析，利用LS-PROPOST軟件對結果進行后處理，得到了甘蔗切割過程的等效應力云圖以及位移云圖，切割力曲線以及能量曲線，分析結果得到相關參數是符合設計要求。

Abstract： In this paper， finite element simulation and modeling analysis of finite element pretreatment software Hypermesh and kinetic analysis software LS-DYNA in reciprocating sugarcane cutting process are analyzed， a finite element model of sugarcane cutting system in Hypermesh is created， the K file format is introduced into the LS-DYNA solver for dynamic analysis， and the results are analyzed by using the LS-PROPOST software， then the equivalent stress cloud image and the displacement cloud image， the cutting force curve and the energy curve of the sugarcane cutting process are obtained. The relevant parameters are in line with the design requirements.

關鍵詞： 有限元；甘蔗切割；建模；動力學分析

Key words： finite element；sugarcane cutting；modeling；dynamics analysis

中圖分類號：TH128 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0148-03

0 引言

近年來，云南省甘蔗種植面積逐年增加，現已成為了我國第二大甘蔗產區，是云南省當地經濟發展和農民脫貧致富的主要經濟作物。由于云南省大部分甘蔗種植區是以山地、丘陵等小地塊為主，因此大中型甘蔗收割機械并不適用，導致甘蔗收割作業強度增大以及收割效率降低，這既影響著大部分蔗農的生存環境，也影響著云南省制糖業的發展[1]。因此，研究出符合云南省地形特點的，經濟實用的小型甘蔗收割機，對促進云南省蔗糖產業的發展和推動甘蔗機械化生產具有重大意義，故基于此本文通過運用建模分析軟件對其相關參數系統進行分析比對得到理論上的驗證。

1 切割器—甘蔗幾何模型的建立

本文主要研究甘蔗收割機在切割作業過程中運動參數對切割性能的影響，在前處理分析之前，需要創建切割器和甘蔗的有限元模型，創建有限元模型通常由兩種方法，一是利用三維建模軟件創建幾何模型并導入Hypermesh中；二是在Hypermesh中直接創建模型。由于收割機動刀片結構比較復雜，直接在ANSYS中建模比較困難，因此使用三維建模軟件Inventor完成切割系統實體模型的創建，如圖1所示，在不對仿真結果產生太大的影響前提下，創建甘蔗長度為100mm，直徑選取為28mm，動刀片距離甘蔗底部20mm，動刀片為齒刃梯形刀片，刀片厚度為4mm，切割傾角為10°。

在Inventor中建立最終的三維實體模型后，將Inventor模型保存為IGES格式，再將IGES格式的文件導入Hypermesh中[2]。

2 模型處理

2.1 Hypermesh網格劃分

根據切割模型的大小以及計算的準確度，本文主要采用自動式進行網格的劃分。切割器—甘蔗有限元模型網格劃分如圖2所示，動刀片采用三角形進行網格的劃分，網格尺寸為2mm，單元個數是23707；甘蔗使用混合單元類型（四邊形和三角形）進行網格的劃分，網格尺寸選擇5mm，單元個數是2574個。

2.2 材料參數的選擇

甘蔗主要由蔗皮和蔗芯組成，是一種非線性、各向異性、非均質的彈性材料，由于品種的不同導致了甘蔗的物理力學性能之間存在一定的差異，相同品種的甘蔗之間也有差別。甘蔗的蔗皮相對蔗芯比較薄，它們之間的力學性能相差也很大，其物理力學性能參數測量比較困難。因此，為了方便甘蔗模型的建立，將甘蔗的蔗皮和蔗芯看成一個整體，定義甘蔗材料為各向同性的塑性材料[3]。其塑性隨動模型為

式中：？著1—應變率；？滓0—初始屈服應力；C—應變率參數；Ep—塑性硬化模量；—有效塑性應變；Ep=EtanE/E-Etan；？茁—硬化參數；E—彈性模量；Ep—塑性硬化模量。

剛性材料模型在顯示動力學中有很重要的作用，剛性材料模型在求解運算過程中可以很好地減少運算時間，同時，在輸入剛形體材料模型時不僅可以定義彈性模量、泊松比以及相應的質量密度參數，還可以約束材料模型。相對于坐標系，它可以任意約束X、Y、Z方向上的轉動和移動，可以有效地簡化有限元前處理操作的過程。

在Hypermesh中創建材料屬性卡片，甘蔗材料選擇為MAT3，動刀片材料選擇為MAT1，同時將所創建材料屬性添加至切割系統模型，甘蔗的材料物理參數如表1所示。

動刀片材料是65Mn，動刀片材料物理參數如表2所示。

2.3 求解設置endprint

一般來說，仿真計算過程時間很短，時間設置越大則計算時間越長。為避免仿真過程中卸載，載荷時間設置應大于求解時間，設置計算時間Termin為0.035s。在完成有限元模型前處理后，輸出一個K文件并利用LS-DYNA進行求解，調用LS-PREPOST進行仿真結果后處理，并對其進行分析[5]。

3 ANSYS/LS-DYNA仿真結果分析

3.1 割刀在切割過程中等效應力分布

圖3為甘蔗切割過程中割刀的等效應力云圖，從應力云圖分布可以看出，圖（a）為切割初始狀態，動刀片在0.005s時剛進入甘蔗莖稈，甘蔗莖稈受到動刀片的壓迫作用，在甘蔗與動刀片接觸區域產生壓力，動刀片在刀尖處的應力達到最大值，應力最大值為209.3MPa。圖（b）為甘蔗切割狀態，時間是0.015s，此時割刀最大應力為232.5MPa。圖（c）為甘蔗切割在0.025s時對應的等效應力，應力達到最大值298.5MPa。圖（d）為甘蔗莖稈被切斷時刻割刀的應力云圖，此時甘蔗即將被切斷。在甘蔗切割過程中，動刀片最大Von Miss應力約為298.5MPa，小于割刀材料的屈服強度430MPa，遠大于甘蔗材料的強度[6]。

3.2 甘蔗切割過程等效應力分布

通過仿真分析，可以得出甘蔗莖稈在切割過程中應力分布情況，即等效應力云圖。在甘蔗切割過程中，切割初始狀態的等效應力云圖，割刀在0.003s開始進入甘蔗莖稈，此時割刀剛與甘蔗接觸，產生一定的沖擊力，等效應力最大值為0.822MPa。割刀切割甘蔗至一半時的等效應力云圖，割刀具有一定速度，此時等效應力達到最大值10.35MPa。甘蔗莖稈在0.019s即將被切斷時的等效應力云圖，最大等效應力為9.911MPa。甘蔗莖稈被切斷時的等效應力云圖，對應時間為0.028s，此時最大應力為8.103MPa。

3.3 切割力曲線

圖4為甘蔗切割過程中切割力曲線圖[6]，由圖可知，在0.012s時刻，切割力達到最大值224N。在整個切割過程中，切割力在切割到甘蔗一半位置時達到最大值，繼續切割，切割力又從最大值減小到0。由此得出切割力隨切入深度變化的規律為：從開始切割到切入甘蔗半徑位置時，切割力從零增大到最大值，從切入甘蔗半徑位置到完全切斷甘蔗時，切割力又從最大值減小到零。

3.4 能量變化

在甘蔗切割過程中，各種能量與時間的關系如圖5所示，動刀片的內能由開始切割時的0J增加到284J，其整體動能是不變的，每條曲線的變化趨勢很平緩，說明動刀片的剛度分布很合理，滿足設計強度要求。通過對沙漏能曲線進行分析，可知在甘蔗切割仿真過程中，沙漏能很小[7]，滿足設計精度要求。

4 結束語

本文通過對往復式甘蔗切割器切割甘蔗的過程進行的有限元建模與分析，得到了仿真的結果，較直觀地反映出甘蔗切割器切割甘蔗的過程；并對數據進行分析處理得到該設計的合理性，并為接下來甘蔗切割器結構優化提供了良好的參考依據。

參考文獻：

[1]鄧軍，蔡曉琳，付思明，等.中國蔗糖產業布局及發展對策[J].甘蔗糖業，2011（01）：57-60.

[2]Zhi Hui Wei，Si Tong Lu，Zhen Gang Li.SUV Frame Modal Analysis Based on HyperMesh. Advanced Materials Research，2015，3716（1079）.

[3]李鵬.甘蔗收割機切割裝置的虛擬設計[D].河南：河南科技大學，2013.

[4]宋融融.小型甘蔗收獲機臺架物流仿真及動態分析與設計[D].廣西：廣西大學，2006.

[5]張正中，梁式，呂煥培，等.基于ANSYS/LS-DYNA的甘蔗切割動力學仿真分析[J].農機化研究，2010（01）：64-67，77.

[6]李建平，趙勻，饒秀勤.小型收割機切割機構運動學和動力學分析及慣性力平衡[J].浙江農業大學學報，1997（03）：8-10.

[7]王成，王效岳.虛擬樣機技術及ADAMS[J].機械工程與自動化，2004（06）：66-68，75.endprint