基于LS-DYNA的油茶嫁接穗木夾持機構優化設計

李全罡,吳曉峰,2,李芝茹,2,張北航,2,韓立志,2,王曉紅,孟凡燁

(1.國家林業和草原局哈爾濱林業機械研究所,哈爾濱 150086;2.中國林業科學研究院 林業新技術研究所,北京 100091)

0 引言

油茶屬山茶科山茶屬植物,為中國所特有,與油棕、油橄欖、椰子并稱為世界四大木本油料樹種,在中國已有2 300年多的栽培歷史,適應范圍廣、經濟價值高、生態功能強,是經濟效益和生態效益俱佳的優良鄉土樹種[1]。 目前,我國油茶苗木的良種嫁接繁育主要由人工完成,勞動強度大、作業效率低,且操作經驗對嫁接苗成活率影響大,出苗不均勻、成活率難以保證,嚴重制約了我國油茶產業的規模化發展[2]。相關行業專家已針對這一問題開展了深入研究,吳曉峰等人在2014年研制了硅膠苗夾式的BYJ-800型油茶苗木嫁接機,主要在砧木、穗木夾持機構及對中機構和固定機構上進行了優化設計,對中機構采用了移動平臺的設計,使得在砧木、穗木進給定位和對中定位更加精準[3]。該機的研制對油茶嫁接機械化的研究起到了推動作用,為后續相關裝備的優化和改進提供了基礎依據。

1 油茶嫁接穗木夾持機構及油茶穗木的物理特性與仿真方法

LS-DYNA程序是功能齊全的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性程序,以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法[4]。其以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結構分析為主,兼有熱分析、流體-結構耦合功能;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能;通用結構分析非線性有限元程序[5]。在針對穗木夾持機構的設計中,為了優化設計參數,采用LS-DYNA程序進行仿真,分析出油茶穗木在切削過程中所需的夾持力范圍,為機構優化提供依據。

在針對油茶嫁接機械的完善過程中,將改進油茶的砧木、穗木的夾持和切削機構。穗木的夾持和輸送都是通過一個氣立可公司的滑軌平行夾來完成的,滑軌平行夾的一對手指是金屬材料,為了降低夾持過程中手指對穗木的機械損傷,在手指的內側增加了一層邵氏硬度為80的丁苯橡膠(SBR)作為緩沖材料。在穗木的切削過程中,穗木會受到切刀的切削力影響產生軸向運動趨勢,為確保穗木在切削過程中能夠保持穩定,且組織結構遭到最小的機械損傷,需要獲取油茶苗嫁接機穗木夾持機構的夾持力范圍。同時,將利用LS-DYNA程序對穗木切削過程進行仿真,以得到夾持力與穗木切削過程中滑軌平行夾內側丁苯橡膠片與苗木位移及形變的關系,為優化油茶嫁接機的穗木夾持機構提供理論依據。仿真對象的主要特性包括油茶苗木、夾持機構、切削機構的物理特性[6]。

嫁接穗木選用優良無性系長林系列油茶,油茶穗木的直徑具有離散性,在油茶嫁接機的改進過程中需先找到合適的設計尺寸。首先,對油茶穗木樣本進行測量,在100株不同的長林系列油茶樹上每株采取1個樣本,將所采集樣本分為10組進行測量,得到油茶穗木的直徑樣本,再求得油茶穗木的尺寸范圍。由表1統計的油茶穗木樣本直徑數據可以計算出,穗木的最大直徑為5.09mm,最小直徑為1.95mm,平均直徑為3.27mm,在設計中選取油茶穗木的平均直徑作為參考。

表1 油茶穗木的直徑統計

夾持機構的設計如圖1所示。夾持機構由一對夾持手指構成,手指內側有一層厚度為4mm的丁苯橡膠。在切削過程中,夾持機構給于一定的夾持力,使得穗木與橡膠之間產生靜摩擦力,保證切刀切割油茶穗木時不發生軸向位移,順利完成切割。夾持機構機架和切刀用剛體模擬,剛體為碳鋼的物理特性,彈性模量210 000MPa,泊松比0.3,密度7.0kg/m3,夾持手指內側緩沖材料為邵氏硬度80的丁苯橡膠[7]。

圖1 穗木切削機構結構示意圖

穗木在切削過程中的受力狀態如圖2所示。穗條在徑向上受兩個力作用,切刀產生的切割軸向拉力和夾持機構產生的摩擦力,切割力產生的軸向拉力為

圖2 穗木切削過程受力分析

FCZ=2FCcos30°

(1)

式中FCZ—切割力產生的軸向拉力;

FC—切刀提供的切削力。

摩擦力在夾持手指內側的丁苯橡膠和穗木間產生,材質分別為橡膠和木材,μ取0.4。切削機構的切刀切削速度根據氣缸的型號及工作壓力計算,切削速度為100mm/s。

摩擦力為

Ff=2μFS

(2)

式中Ff—橡膠與穗木之間的摩擦力;

FS—夾持手指提供的夾持力;

μ—摩擦因數。

2 仿真過程及結果分析

在仿真過程中,主要根據切刀的切割力確定需要的最小夾持力,保證切削過程中穗木不會脫落。根據油茶穗條徑向壓縮強度,確定最大夾持力,保證穗木組織結構不會受到物理損傷。首先,對仿真對象進行網格劃分,模型均采用六面體網格劃分,網格劃分情況如表2所示。最小網格0.03mm,最大網格0.56mm,劃分后99.9%單元滿足網格質量要求,網格質量較好。總節點數為562 392,總網格數為518 814。

表2 網格劃分情況

對仿真對象進行參數定義,切刀和夾持機構都是碳鋼材質,在切削過程中基本不產生變形,用剛性材料模擬即可,可以減少計算量。

在仿真過程中將著重考慮丁苯橡膠在切削過程中的彈性形變及橡膠與穗木間摩擦力變化,橡膠材料應力應變曲線如圖3所示。油茶穗木的各項力學特性是該仿真計算的關鍵依據,穗木的各項參數如表3所示[8]。油茶穗木的各項力學參數中對夾持機構的夾持力提出限制的主要參數為油茶穗木的徑向壓縮強度(XR),夾持力大于此值時將對油茶穗木產生物理損傷,最終影響油茶嫁接苗木的成活。

圖3 橡膠應力應變曲線

表3 油茶穗木的主要參數

穗木最大夾持力將通過夾持手指夾持力的仿真來確定,在已知油茶穗木夾持和切削機構的各項參數和穗木的力學特性的基礎上,對應用LS-DYNA程序對油茶穗木的夾持機構進行仿真,夾持機構不斷進給收緊夾持手指直到達到穗木的徑向壓縮強度,仿真過程如圖4所示。

夾持機構夾持手指不斷進給收緊的過程中,油茶穗木所受到的夾持力不斷增大,直到達到穗木的徑向壓縮強度,穗木的組織結構被破壞,穗木產生不可逆的組織形變,此時夾持力不再有明顯的變化[9]。結合仿真過程分析得到夾持力與時間關系曲線,如圖5所示。

圖5 夾持力隨時間的變化關系

由圖5可以看出:當夾持機構位移達到1mm時,夾持力為40N,此時穗條達到壓縮強度;之后隨著夾持手指的進給,夾持力已無明顯變化,當夾持力達到40N時,達到了穗木的徑向壓縮強度極限,穗木產生了不可逆的組織形變,穗木的內部機構遭到破壞。因此,確定手指的最大夾持力為40N,此時夾持機構能夠提供的最大摩擦力為

Ff=μFS=16N

(3)

在夾持機構對穗木提供的夾持力不超過40N的情況下,不會對穗木產生結構破壞,但因為穗木的直徑具有一定的離散性,穗木的直徑范圍超出穗木樣本的平均值,為確保穗木在切削過程中減少損傷,取穗木的最大夾持力為36N。

穗木的最小夾持力將通過穗木的切削仿真來確定,在保證切削過程中穗木不會產生大的軸向位移影響切削效果的前提下,穗木的夾持力越小產生的徑向壓力就越小,對穗木的組織結構破換的可能性也就越小。利用LS-DYNA程序對切削過程中切削力進行仿真,為確保穗木完全不受損傷,選取36N夾持力,由式(2)可以計算出夾持機構能夠提供的最大摩擦力為14.4N。已知切刀的切削速度為100mm/s,穗木的切削仿真過程如圖6所示。

圖6 穗木切削仿真過程

經過穗木的切削力仿真,得到穗木的切削力隨時間的變化關系曲線如圖7所示。穗木不發生軸向位移的前提下切刀的最大切割力為

圖7 切割力與時間關系曲線

FC=2Fmaxcos30°=2.6N

(4)

式中FC—切刀提供的切削力;

Fmax—穗木收到的最大切割力。

從仿真結果可以看出:穗木的切削過程中的切削力始終小于最大摩擦力,因此不會產生軸向位移,能夠保證切削效果。已經計算出切刀最大切割力為2.6N,取安全系數為1.5,可得到最小摩擦力為3.9N。由式(2)計算得,所需的最小夾持力為9.8N。不能小于此值,否則穗條可能會發生較大滑移[10]。

3 結論

1)根據穗條的壓縮強度可以得到最大夾持力不能超過40N,否則穗條可能損壞。切刀最大切割力為2.6N,取安全系數為1.5,可得到最小摩擦力為3.9N,計算得出最小夾持力為9.8N,不能小于此值,否則穗木在切削過程中可能會發生較大軸向位移。

2)穗木的材料參數可能有一定誤差,穗木直徑也具有一定的離散性,因此仿真結果可能存在一定的誤差,之后可以結合試驗得到一些經驗參數,并進行仿真驗證,得到一個更精確的夾持力區間。