基于Abaqus的耦合式玉米秸稈皮穰分離仿真與試驗

2021-07-30 01:37:28黃婉媛任德志宮元娟白雪衛劉程偉

農業機械學報 2021年7期

黃婉媛任德志宮元娟白雪衛匙皓劉程偉

(1.沈陽農業大學工程學院，沈陽 110866； 2.沈陽格仿科技有限公司，沈陽 110866)

0 引言

我國玉米種植面積廣，玉米秸稈年產量可達2.4億t[1]。玉米秸稈在工業、農業、餐飲業等領域應用廣泛，高纖維素含量的外皮適合作紙張、人造板及一次性餐具的原材料，蛋白質及營養元素含量豐富的內穰經處理可作為家畜飼料和乙醇提取的原料[2]。將玉米秸稈外皮和內穰分離，作為不同原料加以利用，有利于提高秸稈資源利用的附加值，推動玉米秸稈工業化利用進程[3-4]。

玉米秸稈皮穰的高效分離是制約秸稈高值化利用的瓶頸。目前，學者們大多研究單株整稈皮穰分離技術，單株秸稈分道式喂入，對秸稈打擊、搓擦、脫葉，切開秸稈、壓平、切削內穰，最后導出外皮[4-7]。該分離技術較為成熟，但分離效率較低，且在田間難以實現秸稈皮穰的直接分離，制約了其推廣應用。另一種分離技術是基于外皮和內穰彈塑性形變差異的碾壓切割式分離，該項技術通過對秸稈群的碾壓、揭皮迫使皮穰間產生間隙，而后切段實現皮穰分離，分離后的皮穰呈段狀，符合實際生產需求[8]。廖娜等[9]標定玉米秸稈的粘彈性參數，建立了雙層復合薄壁實芯圓柱ANSYS有限元模型，對松弛模量參數誤差進行模擬與試驗，驗證了模型的可行性與有效性。張李嫻[10]建立了玉米秸稈皮、穰和整稈的力學特性離散元模型，并對秸稈打捆機械進行優化。有限元仿真模擬在玉米秸稈物料特性求解等方面得到了應用。

本文利用Abaqus/Explicit動力學顯式求解器和中心差分求解法，模擬分析異向二次碾壓和異向碾壓錘切2種耦合作用的皮穰分離過程，確定分離秸稈皮穰的最佳方式，進而試制耦合分離皮穰試驗臺，通過三元二次正交旋轉組合試驗研究刀盤轉速、碾壓揭皮輥轉速和刀片滑切角對玉米秸稈皮穰分離率的影響，優化試驗臺工作參數與結構參數，以提高其皮穰分離率。

1 耦合分離方式仿真設計

基于前期研究成果[8]，本文提出了異向碾壓和異向碾壓錘切2種耦合分離方式。采用Abaqus有限元仿真軟件對2種耦合分離方式進行工況模擬，根據皮穰間粘結單元損傷程度，確定出分離效果最優的分離方式應用于分離試驗臺中。

1.1 模型建立

1.1.1耦合分離結構模型

錘切刀片選用阿基米德螺線型刀刃曲線，可降低切割阻力，提高刀具壽命[11]。SolidWorks中的自定義方程建模適合阿基米德螺線型刀刃曲線的建模，故本文采用SolidWorks完成分離裝置模型的建立和裝配。為提高計算效率，確保求解穩定性[12]，對碾壓揭皮輥的齒、動力裝置等特征進行簡化，結果如圖1所示。

1.1.2玉米秸稈模型

對秸稈進行簡化建模，假設其為具有橫截面各向同性的圓柱體，內部纖維沿軸向均勻整齊分布，不考慮莖節處差異[13]。在Abaqus中建立直徑為35 mm的圓柱整體[13]，切割出厚度為0.1 mm的薄層來模擬Cohesive單元，模型中外皮厚度為1 mm[10]。此種方法建立的Cohesive單元與其相鄰的單元共節點，可傳遞力和位移。

1.2 網格劃分、材料屬性及邊界設置

六面體網格模型計算規模小，多用于動力學分析中[14]。兩種分離方式的簡化模型如圖1所示，分離裝置分析模型采用六面體單元形狀，選用進階算法掃掠而成。異向碾壓分離方式單元為74 880個、節點數量為64 752個；異向碾壓錘切分離方式單元為96 883個、節點數量為84 900個。將碾壓輥和刀片設置為離散剛體，分別賦予模型中的分離裝置、玉米秸稈皮、穰及粘結單元Cohesive相應的截面屬性及材料屬性[9,13]，如表1所示。剪切刀片、玉米秸稈皮和穰單元類型為C3D8R；碾壓輥單元類型為R3D4；粘結層單元類型為COH3D8。根據工作原理約束各部件，設定碾壓輥及刀片的工作轉速分別為300、600 r/min，預定義場中玉米秸稈初速度設置為1 m/s。

表1 材料屬性參數

1.3 接觸設置

模型中接觸構件間的相互作用利用接觸算法完成[15]。全局設定通用接觸形式(General contact)，異向碾壓錘切模型中刀具與玉米整稈間新增面-面接觸(Surface-to-surface contact)。該接觸形式采用節點-表面離散方法，遵循有限滑移公式。在接觸設置過程中，主面的網格要比從面稀疏[16]。接觸屬性包括法向和切向作用。因異向碾壓錘切工況中，玉米秸稈和刀具之間非恒接觸，且硬接觸具有自動判定接觸失效和接觸壓力不受限制的特點，則法向作用選用硬接觸(“Hard” contact)。切向作用選用庫倫模型表示接觸對間摩擦特性，庫倫摩擦計算式為

fcrit=μp

(1)

式中fcrit——臨界切應力，MPa

μ——摩擦因數

p——法向接觸壓力，MPa

1.4 瞬態動力學顯式求解

本文模擬的為高速錘切問題，且皮穰分離過程涉及粘結單元退化和失效問題。為使結果精確可靠，避免因大變形產生不收斂問題，本文基于可解決數值分析的顯式動力學理論，采用Abaqus/Explicit動力顯式求解器進行仿真分析，結構系統在t時刻的通用運動方程為

(2)

式中Ut——t時刻節點位移向量

M——質量矩陣C——阻尼系數矩陣

K——剛度矩陣

Rt——t時刻節點載荷向量

錘切過程中速度快，刀具對物料具有沖撞效果，直接積分法中的中心差分求解法適用于沖擊、碰撞等工況的求解，因此采用此法對運動方程進行求解。對加速度和速度變量采用差分代替，即

(3)

(4)

(5)

(6)

將式(6)和t=0代入式(5)得起始增量UΔt。

1.5 仿真分析

Abaqus中可提供識別拉伸和剪切兩種破壞形式的場輸出：MMIXDME。MMIXDME為損傷演化過程中混合斷裂模式的比例，可用于判斷Cohesive單元主要破壞形式。當MMIXDME為0～0.5時，表示單元以拉伸破壞為主；當MMIXDME為0.5～1時，表示單元以剪切破壞為主；當MMIXDME為-1時，表示未被破壞。仿真計算結果共有20個分析子步。

1.5.1一級碾壓過程

異向碾壓和異向碾壓錘切2種耦合式分離方法對玉米秸稈的第1步處理方式均為碾壓，碾壓過程如圖2所示。如圖2a所示，玉米秸稈開始被碾壓時，皮穰由于彈塑性差異，導致兩側粘結層受拉，但仍未分離；如圖2b所示，隨著縱向變形量的增加，皮穰橫向變形差異加大，致使皮穰間粘結層單元損傷，橫向粘結單元斷裂，斷裂處皮穰間產生分離；如圖2c所示，當秸稈通過碾壓輥時，秸稈外皮回彈位移大于內穰回彈位移，且由于一端被碾壓輥夾持，自由端產生翹曲，致使皮穰縱向部分粘結層單元損傷失效，皮穰分離。由圖2c可以看出，經過碾壓輥的玉米秸稈皮穰間未完全分離，仍有部分粘結在一起。由圖2可知，MMIXDME大體取值范圍為0～0.5，粘結單元以拉伸破壞為主。

1.5.2異向碾壓耦合

異向碾壓耦合式秸稈皮穰分離效果如圖3所示，分析圖3可知，經過一級碾壓且皮穰未完全分離的玉米秸稈經過異向碾壓耦合作用，皮穰間粘結層均失效，皮穰間脫粘。該過程中，粘結層破壞形式如圖4所示，MMIXDME取值范圍為0～0.5，粘結單元以拉伸破壞為主。

由上述內容可知，異向碾壓耦合式分離方法效果顯著。但實現異向碾壓耦合式分離方法的傳動結構復雜，處理后的秸稈只是皮穰間脫粘，并未實現分離。經過切段和粉碎的玉米秸稈便于飼料、造紙、板材等方面應用[17]和運輸，因此經異向碾壓耦合式分離方法處理的玉米秸稈運輸或使用過程中仍需二次處理。

1.5.3異向碾壓錘切耦合

異向碾壓錘切耦合式秸稈皮穰分離效果如圖5所示，由圖5可知，當經過一級碾壓且皮穰未完全分離的玉米秸稈經過異向錘切耦合作用，皮穰間的粘結單元均失效，皮穰脫離，經過切割后的截面處外皮向四周翻卷，皮穰間分離后呈段狀皮穰。該過程中MMIXDME取值范圍為0～0.5，粘結單元以拉伸破壞為主。

由上述內容可知，異向碾壓錘切耦合式分離方法效果顯著，分離后的玉米秸稈呈段狀，皮與穰可直接用于原料，滿足生產需求。因此異向碾壓錘切耦合分離方式符合生產實際應用。

2 試驗臺設計

2.1 結構特點

異向碾壓錘切式玉米秸稈皮穰分離試驗臺，基于玉米秸稈皮穰彈塑性差異，采用碾壓與錘擊切割方向互異的施力方式，利用等滑切角的阿基米德螺線型圓盤刀實現玉米秸稈皮穰分離。切割過程中，刀片與進給物料間有恒定推擠角，可將刀片對物料所施的力分解成與碾壓方向平行和與空間垂直的兩個分力，實現進給物料異向受力分離。如圖6所示，異向錘切式玉米秸稈皮穰分離試驗臺規格為610 mm×404 mm×850 mm，其結構主要包括：動碾壓揭皮輥、定碾壓揭皮輥、弧形刀片、旋轉刀盤、拋送葉片、電機和機架。動碾壓揭皮輥和定碾壓揭皮輥齒間間隙為5 mm，動碾壓揭皮輥在彈簧的連接作用下，可在軌道內隨玉米秸稈的直徑變化而滑動，通過其自身重力和彈簧拉力對喂入的玉米秸稈進行碾壓。弧形刀片為阿基米德螺線型蛤刃結構，刃線原點與刀盤旋轉中心點重合，且滑切角、推擠角恒定。旋轉中心距初始剪切點85 mm，喂料口寬160 mm。3片弧形刀片通過螺栓固定于刀片座和旋轉刀盤上，方便拆卸更換，不同滑切角的刀片如圖7所示。

2.2 工作原理

玉米秸稈群輸送至碾壓試驗臺的兩碾壓輥之間，經其碾壓及揭皮后，由于玉米秸稈外皮與內穰存在彈塑性差異，二者間軸向與橫向的粘結力被削弱甚至產生脫粘現象；碾壓后的秸稈進入異向錘切裝置，被旋轉的弧形刀切成段狀，秸稈由于受到與碾壓方向互異的切割力、刀具撞擊作用，致使外皮與內穰分離更加充分；而后依靠拋送葉片和切刀高速旋轉產生的氣動作用將皮穰帶出。

2.3 刀片設計

2.3.1等滑切角刀刃曲線設計

阿基米德螺線的極坐標方程[18]為

(7)

式中R——極徑，mm

a——常數

τ——滑切角，(°)

φ——極角，(°)

如圖8a所示，隨著刀刃線上任意一切割點從點A轉變成A′，矢徑r增加了dr變成r′，若limdθ→0，則lAB′≈lAB。滑切角計算式為

(8)

若滑切角τ為定常數，即tanτ=k，代入式(8)得

(9)

式(9)兩邊積分得到刃口曲線方程

(10)

d為積分常數，當θ=0時，r=d=c=85 mm。

如圖8b所示γ為推擠角，由式

τ+α2=γ+α2=90°

(11)

可知τ=γ。

由于刀片刃口曲線的滑切角恒定不變，則本文設計的刀片在切割過程中具有恒定的滑切角和推擠角。

2.3.2滑切角設計

切割物料時，為防止物料被擠出，切割副的推擠角γ應小于動定刀與物料摩擦角之和，即滿足

γ≤φ1+φ2

(12)

式中φ1——動刀對物料的摩擦角，(°)

φ2——定刀對物料的摩擦角，(°)

本文推擠角選取范圍為10°≤γ≤50°[9,19-21]；滑切角越大，切割越省力，同時會增加對物料的推擠作用，因此本文滑切角τ初始取值范圍為35°≤τ≤55°[21-22]；隨著切割轉角增大，切割過程趨于平穩，平均切割扭矩降低，本文切割轉角β的初始取值范圍為45°≤β≤60°[22]。為保證刀具將喂入的物料全部切斷，刀刃曲線的最大半徑應不小于圖8a所示的lOD，即b+c。擬定試驗臺一次可同時喂入4～5根秸稈，所以取b=160 mm，則rmax=245 mm。

若β=45°、θ=45°時，物料皆被切斷，此時r=rmax。將θ=45°、r=245 mm代入式(10)得τmin=36.57°；同理，若切割轉角β=65°，將θ=65°、r=245 mm代入式(10)得τmax=46.98°。綜上所述，刀片的滑切角和推擠角取值范圍為[36.57°，46.98°]，且在許用區間內。考慮加工工藝精度，本文τ、γ取36°～46°。

2.3.3刃口形狀、刀片厚度及安裝設計

蛤刃刀刃較厚，抗沖擊，不宜卷崩，使用壽命較長。深入切割時，根據平面分散應力原理，其所受阻力較小，切割更省力[23-24]，因此本文試驗臺采用蛤刃刀片。為防止工作過程中變形過大，刀片厚度取δ=5 mm[11]。剪切裝置上刀片數量應適量，本文將3把刀片按等間距角安裝在圓刀盤上，最大工作半徑rmax=0.245 m，最小工作半徑rmin=0.085 m。

2.3.4刃角設計

圖9所示截面NHFM為蛤刃法向橫截面，ξ與ω分別為蛤刃的最大和最小刃角。

(13)

(14)

(15)

由△FEG～△HEJ可得

(16)

將式(13)～(15)代入式(16)可得

(17)

蛤刃曲率κ計算式為

(18)

刃角過大會增加切割阻力，過小則刀刃易損易崩，壽命低，刀刃角控制在15°～30°之間較優[25-27]，即15°≤ω≤ξ≤30°。利用Matlab可計算出ξ=30°、ω=15°時κ取得最大值。蛤刃越不平坦，錘擊效果越好，對皮穰分離越有效，而曲率是衡量幾何平坦程度的標準，二者呈正相關。所以本文將蛤刃刃口角變化區間設計為15°～30°。

3 皮穰分離試驗與參數優化

3.1 試驗材料

試驗材料取自沈陽農業大學試驗基地，株高為1.6～2.0 m，除穂后有8～12節。從中選取成熟、根部直徑(35±5) mm的玉米秸稈，整株去葉、自然風干至含水率為20%±5%。由于玉米秸稈頂部直徑小，抗彎折性能較差，收獲過程中損傷形式主要是彎折，保留從根部數第1～7節玉米秸稈作為皮穰分離試驗的試驗材料，其力學特性如表1所示。