基于ABAQUS的魷魚切割機刀具幾何參數(shù)方案選擇

馮 帆，徐興平，祖國強，常漢卿

(中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580)

在魷魚切割機上安裝切割刀具用于切割魷魚體。這種刀具對生物軟組織體的作用類似于軟組織手術過程[1-3]。刀具幾何參數(shù)不合理可能導致實際切割作業(yè)中連肉現(xiàn)象的發(fā)生，這在很大程度上降低了切割機的工作效率和質量。

隨著有限元分析的日益發(fā)展，它在工業(yè)中的應用越來越廣泛。各企業(yè)采用有限元法對產品進行分析，既提高了設計功能，又減少了設計成本。

本文首先對魷魚肌肉的力學性能進行分析，用桌面電子萬能試驗機對魷魚肌肉進行拉伸破壞，得到相關的力學參數(shù)，然后采用有限元軟件ABAQUS對魷魚切割機刀具切割過程進行有限元分析，得到相應的應力、應變等力學參數(shù)的變化曲線和受力云圖，最后，結合軟件求解及實際魷魚切割實驗結果，對魷魚切割機的刀具進行分析和選擇，確定刀具的最優(yōu)設計方案，以保證魷魚體的切割質量。

1 魷魚切割機刀具設計

本文刀具為沖切刀頭，如圖1所示，采用304不銹鋼材料，力學參數(shù)中彈性模量E=195 GPa，密度ρ=7 900 kg/m3，泊松比ν=0.247，許用強度197 MPa[4]。刀頭由1個刀桿及4個刀片配合而成。刀片形狀設計分為6種方案：方案1，下刀面傾角80°，如圖2所示；方案2，下刀面傾角75°，如圖3所示；方案3，下刀面傾角60°，如圖4所示；方案4，下刀面傾角50°，如圖5所示；方案5，下刀面傾角40°，如圖6所示；方案6，下刀面傾角60°，并且側刀面帶有鋸齒，如圖7所示。上述刀片厚度均為1 mm，用線切割方法將鋼材一次切割成型。

圖1 沖切刀頭

圖2 方案1刀具尺寸圖

圖3 方案2刀具尺寸圖

圖4 方案3刀具尺寸圖

圖5 方案4刀具尺寸圖

圖6 方案5刀具尺寸圖

圖7 方案6刀具尺寸圖

2 魷魚肌肉的力學性能實驗分析

2.1 實驗對象

魷魚是生活在水域中的軟體生物，依靠腮進行呼吸。許多科學家對動物體的肌肉進行了相關的研究[5-7]，但是，對于魷魚這種特殊魚類尚未有相關的研究數(shù)據(jù)。為此，本文進行了拉伸破壞試驗，測得所需的力學參數(shù)，如彈性模量、泊松比等。

2.2 力學實驗方法與過程

本文采用電子萬能試驗機，如圖8所示，對魷魚肌肉進行軸向拉伸試驗，并通過公式，估計其相應的力學性能。

圖8 電子萬能試驗機

首先，用刀子將新鮮魷魚肌肉裁割為矩形條樣。將條樣浸泡于生理鹽水60 min后，用直尺測量條樣的幾何參數(shù)。

在進行條樣松弛實驗之前，經過多次加載-卸載過程，目的是穩(wěn)定條樣的力學性能。該實驗在室溫 (15～25 ℃) 下完成。由于大多數(shù)生物軟組織不能嚴格服從應力-應變關系，因此這里忽略載荷速率變化的影響。

在萬能電子試驗機上將經過處理后的魷魚條樣進行固定，隨后逐步施加荷載進行拉伸實驗，直至肌肉條樣完全斷裂。每組實驗都要對所測得的實驗數(shù)據(jù)進行記錄。實驗時要注意實時數(shù)據(jù)變化，以保證實驗數(shù)據(jù)合理有效。

2.3 力學實驗分析結果

將測得的實驗數(shù)據(jù)用MATLAB擬合成σ-ε曲線，即得到魷魚肌肉拉伸破壞的實驗結果，如圖9所示。

圖9 魷魚肌肉拉伸破壞的典型實驗結果

由圖可知，魷魚肌肉條樣應力應變關系大致分為3部分：第1條OM段，應力與形變大約為二次函數(shù)關系；第2條MN段大致為一條等比例直線，魷魚條樣的彈性模量E可根據(jù)MN直線的擬合結果來確定；第3段NP段曲線呈非線性變化，說明魷魚條樣開始出現(xiàn)塑性變形，并在P點達到強度極限，隨后條樣產生破壞。通過計算并結合圖9分析可知，魷魚條樣的彈性模量E為4 374 MPa，強度極限為0.25～0.30 MPa。

3 基于ABAQUS的刀具切割魷魚仿真

3.1 魷魚切割仿真原理

魷魚肌肉的切割過程包含復雜的彈塑性變形，用經典力學的相關理論無法對其進行分析和求解；因此，本文采用ABAQUS對魷魚肌肉的切割過程進行分析，以剪切失效和單元刪除方法作為魷魚體的分離準則，對切割過程進行數(shù)值仿真，并對魷魚體的切割應變、應力、動能變化、應變能變化等進行分析。

在分析魷魚體受力變形時，將刀具視為剛體結構，對魷魚肌肉進行切割仿真，并選擇Johnson-cook剪切失效模型。Johnson-cook剪切模型是一種基于單元積分點的等效塑性應變，當材料失效參數(shù)ω超過1時，軟件認定為單元失效。在ABAQUS軟件界面中該部分模型單元將被刪除，即魷魚體模型發(fā)生分離。

模型中失效參數(shù)定義為

(1)

綜合考慮各因素對魷魚材料硬化應力的影響，應用Johnson-cook等向強化模型，其靜態(tài)屈服應力公式為

有效容積為2 000 mL的高壓反應釜，燒杯1 000 mL，量筒1 000 mL，電子天平，計時器，真空泵，抽濾瓶，熱風循環(huán)烘箱，高速粉碎機，80目標準篩。

(2)

由于Johnson-cook剪切失效模型適用于非線性變化的模型仿真，因此其對于魷魚條樣切割過程的仿真模擬十分適用。

3.2 切割仿真過程

下面以方案1中的刀具為例對切割過程進行探究。考慮到魷魚體模型與刀具的前、后刀面均存在約束[8-10]，因此，需要在這2個接觸對上設置接觸與目標單元來模擬整個接觸過程。建立如圖10所示的魷魚體條樣二維模型(模型尺寸為10 mm×5 mm)，并將實驗獲得的彈性模量、泊松比等參數(shù)帶入模型中。對魷魚條樣模型采用穩(wěn)定性較好的 CPE4R一階線性減縮平面四邊形單元，并將刀具設置為解析剛體。關于約束，要在條樣模型的右側和底部約束全部自由度，使之完全固定。

圖10 二維切割模型的建立

在Load模塊中，刀具右端施加豎直向下的位移，刀具以給定的速度(-120 mm/s)向下移動，形成切割過程，該切割過程中將應用軟件自帶的自適應網格技術。

魷魚體的分離過程通過ABAQUS/explicit中的單元刪除及材料失效準則的方法來實現(xiàn)。當魷魚體的切割達到分離準則時，失效單元會被刪除并將不再承載應變或應力，隨著此過程的不斷進行，最終實現(xiàn)魷魚體的完全分離。

3.3 仿真結果分析

刀具切割魷魚體仿真過程的受力云圖如圖11所示。

圖11 仿真過程受力云圖

經過后處理的魷魚體Mises應力、動能以及應變能沿斷裂邊縫節(jié)點路徑的變化情況如圖12—14所示。

圖12 Mises應力沿斷裂節(jié)點路徑變化曲線

圖13 動能隨時間變化曲線

圖14 應變能隨時間變化曲線

3.4 刀具切割綜合分析

同理可得方案1至方案6刀具仿真過程，各方案刀具仿真受力變形云圖如圖15—20所示。

圖15 方案1云圖

圖16 方案2云圖

圖17 方案3云圖

圖18 方案4云圖

圖19 方案5云圖

圖20 方案6云圖

6種方案刀具動能、應變能隨時間變化曲線情況如圖21—22所示。

圖21 動能隨時間變化曲線

圖22 應變能隨時間變化曲線

讀取曲線數(shù)值，可得動能隨時間變化曲線峰值大小為(Tool后面序號代表方案號)：

Tool-1，Ymax=2.141×107；Tool-2，Ymax=2.145×107；Tool-3，Ymax=2.163×107；Tool-4，Ymax=2.155×107；Tool-5，Ymax=2.143×107；Tool-6，Ymax=9.099×107。

應變能隨時間變化曲線峰值大小為：

Tool-1，Ymax=7.368×107；Tool-2，Ymax=7.894×107；Tool-3，Ymax=8.100×107；Tool-4，Ymax=7.998×107；Tool-5，Ymax=7.723×107；Tool-6，Ymax=1.398×108。

根據(jù)仿真結果及魷魚切割實驗，如圖23—24所示，首先對利用方案1—5進行切割的情況進行分析。方案1—5刀具的下刀面傾角依次減小。在仿真模擬中：方案1至方案3刀具的動能、應變能依次增大；方案4刀具的動能、應變能略小于方案4刀具，大于方案2刀具；方案5刀具的動能、應變能僅大于方案1刀具。這說明刀具的動能、應變能先增大后變小，刀具下刀面傾角為50°～60°時可獲得較大的動能、應變能。

圖23 魷魚切割實驗 圖24 切割效果圖

在實際實驗中，5種方案均出現(xiàn)了連肉現(xiàn)象，方案1、方案5的現(xiàn)象較為明顯，方案3、方案4的現(xiàn)象較輕，這表明較大的動能和應變能有利于魷魚體的切割，在進行魷魚切割作業(yè)時可安裝下刀面傾角為50°～60°的刀具以保證最佳效果。

為進一步研究鋸齒對切割作業(yè)的影響，本文對下傾角同為60°的方案3無鋸齒刀具、方案6鋸齒狀刀具進行分析。在實際實驗中，利用方案6的鋸齒狀刀具進行魷魚體切割時，極少發(fā)生連肉現(xiàn)象，對應仿真結果體現(xiàn)為方案6刀具的動能、應變能明顯大于方案3刀具，且方案6刀具的應變能出現(xiàn)了較大波動。這說明刀具鋸齒可以產生較大動能、應變能及大振幅能量波動，更有利于魷魚體的切割。現(xiàn)實生產中，在優(yōu)化下刀面傾角的基礎上，可以選擇鋸齒刀具，以解決其他刀具易發(fā)生連肉的問題。

4 結束語

針對魷魚切割機進行實際作業(yè)時容易出現(xiàn)連肉的現(xiàn)象，本文提出了一種利用電子萬能試驗機進行拉伸試驗獲取相關力學參數(shù)，用ABAQUS進行有限元分析，結合軟件求解結果及實際魷魚切割情況選擇刀具幾何參數(shù)的方法。分析結果表明：下刀面傾角為50°～60°的刀具提供的動能、應變能較大；傾角在這個區(qū)間內且?guī)в袖忼X的刀具不僅會提供更大的動能、應變能，而且會產生大振幅能量波動，能大幅降低連肉現(xiàn)象的發(fā)生。按此方案進行設計的刀具，能充分提高魷魚切割機的工作效率及魷魚體的切割質量，并且進一步降低勞動力投入，為海洋產品生產企業(yè)的產業(yè)結構升級提供有力幫助。

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