基于LS-DYNA的玉米芯沖擊特性分析

陶 濤,魏新華

(1．揚州工業職業技術學院,江蘇 揚州 225127;2．江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物,也是世界三大糧食作物之一。脫粒是玉米收獲和加工的關鍵環節之一,玉米脫粒機在我國使用非常廣泛[1-2]。目前,我國商品玉米脫粒主要采用釘齒滾筒式玉米脫粒機,其工作時玉米芯經常會被釘齒打斷或打碎[3-4]。

在玉米芯破碎成小塊之后,上面殘存的玉米籽粒將難以脫落,從而導致籽粒夾帶損失增大;破碎的玉米芯較多時,會降低清選系統的清選效果,從而導致玉米籽粒凈度降低[5]。從這個角度來說,在設計玉米脫粒機時需要考慮控制玉米芯斷裂和破碎,以降低籽粒夾帶損失,提高玉米籽粒凈度,因而對玉米芯力學特性的研究非常重要。現階段國內外學者對玉米籽粒宏觀和微觀力學性質都進行了比較深入系統的研究。周海玲[6]等對玉米籽粒果柄的剛度系數、破壞力和破壞位移進行了測試與分析,并考查了加載速度、果穗分段、品種、施力方向的影響,進行了不同含水率下玉米種子籽粒破損強度、果柄強度和脫粒作用力等試驗。高連心[7]進行了不同含水率下玉米種子籽粒破損強度、果柄強度和脫粒作用力等試驗。趙武云[8]對玉米芯的徑向壓縮和彎曲力學性質進行了測試與分析,發現徑向壓縮和彎曲時的破壞力均隨含水率的增大而減小,隨玉米芯直徑的增大而增大。李心平[9]等通過有限元分析方法對玉米種子在靜壓載作用下不同作用部位的應力分布進行了分析,獲得了玉米種子在不同施力部位壓載作用下的微觀力學性質。但是,國內外對玉米芯力學性質的研究還比較少,因此對玉米芯力學性質進行研究不僅具有現實意義,還具有一定的創新性。

現有針對玉米脫粒過程的研究大都采用經驗方法、試驗方法及統計分析方法。試驗方法和統計分析方法費時費力,所得結果一般也不具有普遍意義,還不能洞察玉米脫粒過程的物理機理[10]。本文采用LS-DYNA對玉米芯在徑向壓縮、軸向壓縮、徑向剪切和彎曲4種施力情況下進行有限元分析,為研制高性能玉米脫粒機、玉米芯加工處理設備及選擇合理的玉米芯破碎方式等提供參考依據和相關參數。

1 玉米芯沖擊理論

LS-DYNA一般采用瞬態動力學分析沖擊問題,求解器以顯示為主[11],最終獲得沖擊載荷作用下玉米芯節點位移、網格單元應力、節點速度及加速度隨時間變化等計算結果,其具體流程如圖1所示。

玉米芯在進行沖擊時受到沖擊力的大小及其變化過程可以作為評價玉米芯剛度的重要參考指標。本文通過 Hypermesh/LS-DYNA建立合適的玉米芯模型進行仿真,計算出玉米芯在形變過程中沖擊力的變化過程,為研制高性能玉米脫粒機、玉米芯加工處理設備及選擇合理的玉米芯破碎方式等提供參考依據和相關參數。玉米芯受徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲仿真的原理如圖2所示。

圖1 LS-DYNA計算流程圖

2 玉米芯數值建模

以LS-DYNA作為求解器,Hypermesh作為前處理軟件,Hyperview作為后處理軟件。

2.1 建立玉米芯模型

玉米芯是指玉米果穗脫去籽粒后所剩的果穗軸,又稱玉米穗軸、棒子骨等。玉米芯的組織結構從內到外主要由三分段組成:芯髓、木質環形體和膜片[12]。為簡化計算,將玉米芯建立為一個整體,以結構全為木質環形體建模。根據文獻[13],將玉米分為3段(小端、中段、尾端),先鋒8號玉米芯的相關參數如圖3所示。根據上述參數建立玉米芯的3段實體模型,如圖4所示。

圖2 玉米芯仿真的原理示意圖

圖3玉米芯結構圖

圖4 玉米芯三維模型

以玉米芯3段各截取20cm長度作為研究對象,參照圖2建立玉米芯4種受力方式下仿真模型,在Hypermesh中對玉米芯進行三維實體網格劃分,網格單元數729,節點數223;材料屬性材料密度設為0.355g/cm3,泊松比設為0.35,彈性模量為54.573MPa。對玉米芯擠壓件為剛體選擇材料為MAT20,剛性材料,設玉米支撐件為地面設置為MAT20材料,剛性墻。玉米芯4種方式下受力仿真模型如圖5所示。

2.2 邊界條件設置

對于玉米芯受徑向壓縮和軸向壓縮,利用LS-DYNA關鍵字設置玉米芯與擠壓剛體、玉米芯與剛性墻surface to surface接觸;對于全部Part,設置零件自接觸Single surface、剛性墻為6自由度全約束;對于玉米芯受剪切和彎曲,設置相應6自由度全約束,玉米芯與擠壓剛體surface to surface接觸。擠壓剛體利用關鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION-RIGID給定強制位移5mm/min。利用控制卡片輸出沙漏能、截面力、質量能及接觸力等。

圖5 玉米芯仿真模型

3 玉米芯仿真模擬結果分析

通過 LS-DYNA 求解器計算處理,最終獲得玉米芯不同分段4種受力工況下玉米芯和剛體之間的接觸力隨時間變化曲線,其接觸力的大小真實模擬了微機控制電子式萬能試驗機的擠壓作用過程。玉米芯三分段4種受力方式下受力玉米芯和剛體之間的接觸力隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 玉米芯三分段4種受力方式下接觸力

由圖6發現:玉米芯在4種受力方式下,每種受力對應的玉米芯接觸力都是先增大,達到一定值以后下降,最大值即為玉米芯在這種受力方式下的破壞力。進一步觀察發現:玉米芯同一分段不同受力方式下其最大破壞力不同;同一受力方式下玉米芯不同分段破壞力大小不同;玉米芯不同分段不同受力方式下其受到最大破壞力對應的時間點不同。

為進一步分析玉米芯不同分段不同受力方式下受到的最大接觸力,最大接觸力和對應時間的關系如表1所示。

表1 不同工況下玉米芯受到接觸力最大值

續表1

玉米芯含水率為13.8%,仿真模型取每分段的中間20cm。

不同分段對玉米芯徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲時最大接觸力(破壞力)的影響規律如圖7所示。由圖7可知:玉米芯不同分段對玉米芯接觸力的影響顯著。

由圖7(a)發現:徑向壓縮時,最大接觸力沿軸向逐漸減小;由圖7(b)中發現:軸向壓縮時,最大接觸力沿軸向先增大后減小,中段最大,小端和尾端相近;由圖7(c)發現:玉米芯受剪切力時最大接觸力沿軸向逐漸減小;由圖7(d)發現:玉米芯受彎曲時兩種彎矩的最大接觸力均沿玉米芯軸向不同分段逐漸減小,其中同一分段下彎曲8cm的最大接觸力約為彎曲16cm的2.2倍。此結果與前試驗研究文獻相同[12],證明了仿真結果的準確性。

圖 7 分段對4種受力方式下玉米芯最大接觸力的影響Fig.7 Effect of segmentation on the maximum contact force of corn cob under four loading modes

4 結論

1)采用有限元分析軟件Hpyermesh/LS-DYNA對玉米芯不同分段在徑向壓縮、軸向壓縮、剪切和彎曲4種不同受力方式下接觸應力進行分析,得到相應數據,相對于傳統的試驗研究節省大量人力物力成本。

2)結果表明:在4種受力方式下,每種受力對應的玉米芯接觸力都是先增大,達到一定值以后下降,玉米芯同一分段不同受力方式下最大破壞力不同;同一受力方式下,玉米芯不同分段破壞力大小不同;玉米芯受彎曲時,同一分段下彎曲8cm的最大接觸力約為彎曲16cm的2.2倍。