基于ANSYS Workbench/LS-Dyna的馬鈴薯殺秧裝置參數優化

孫思宇,李 瑞,楊明金,武逸凡,韓定強,楊 玲*,張 濤,龐有倫

基于ANSYS Workbench/LS-Dyna的馬鈴薯殺秧裝置參數優化

孫思宇1,李 瑞1,楊明金1,武逸凡1,韓定強1,楊 玲1*,張 濤2,龐有倫2

1. 西南大學工程技術學院, 重慶 北碚 400715 2. 重慶市農業科學院, 重慶 九龍坡 401329

針對我國馬鈴薯收獲機械化水平較低，很多地區仍采用手工作業的方式清除馬鈴薯秧蔓，勞動強度大、成本高且效率低的問題，本文設計了一種馬鈴薯殺秧裝置，運用Solidworks進行殺秧裝置的三維建模。通過ANSYS Workbench對殺秧裝置進行模態分析以使工作頻率避開固有頻率，進而避免殺秧裝置因共振而發生破壞。通過ANSYS Workbench/LS-Dyna對殺秧裝置的工作過程進行顯式動力學仿真，并以動刀片轉速、刀具刃角和前進速度為試驗因子進行虛擬正交仿真試驗，對仿真試驗結果進行極差分析和方差分析，獲得殺秧裝置最優結構和工作參數。結果表明，在動刀片轉速為1200 r/min、刀具刃角15°和前進速度7 km/h時，峰值剪切應力最低，此時，馬鈴薯秧蔓易于切斷。

馬鈴薯; 殺秧裝置; 參數優化

馬鈴薯是僅次于小麥、水稻和玉米的世界第四大糧食作物，全世界有一百多個國家或地區種植馬鈴薯，馬鈴薯在糧食安全方面發揮著重要的作用[1]。目前馬鈴薯已經成為我國第5大糧食作物。隨著我國農業的不斷發展，我國已成為世界上馬鈴薯總產量最多的國家，種植面積和產量占世界的23%～28%，居世界第一[2,3]。馬鈴薯的植株比較茂盛，在收獲前一般需要把薯秧進行清除。對馬鈴薯進行割秧，可以促進馬鈴薯的嫩皮老化變硬，減少挖掘時對表皮的損壞，降低馬鈴薯的破皮率；減少機械挖掘時薯秧和雜草進入到振動篩上，避免機械化挖掘馬鈴薯時薯秧對收獲機具的纏繞；莖葉還田，可有效增加土壤有機質含量，提高土壤肥力；有效提高馬鈴薯的收獲效率[4-6]。

目前清除薯秧的方法主要有人工割秧、藥物滅秧或者機械殺秧等。人工割秧的勞動強度比較大，效率較低。藥物滅秧的優點是殺秧效率較高、效果好，但是農藥會殘留在薯秧上，可能會影響食用安全性[7]。目前采用最廣泛的殺秧方式是機械殺秧，這種方式既能避免農藥的危害，還能降低勞動強度，提高殺秧效率，對完善馬鈴薯田間生態環境管理和提高馬鈴薯的產量有重要的促進作用。

我國是馬鈴薯生產大國，但不是生產強國，國際競爭力比較小。主要表現在我國馬鈴薯收獲機械化水平較低。目前，我國很多地區仍采用人工清除秧蔓，這種方式勞動強度大、效率低、成本高。在馬鈴薯的機械化收獲方面，國外馬鈴薯殺秧機發展的比較早，到現在已經有了較為成熟的技術和機器，國外很多發達國家早已經實現了全程機械化。而我國馬鈴薯綜合機械化率還沒有達到50%，尤其是馬鈴薯的機械收獲環節更是比較薄弱，機械化水平更低[8]。表現比較明顯的是我國的西南地區，其馬鈴薯產量和面積占比很大，但是綜合機械化水平卻比較低。當前國內已有的馬鈴薯殺秧機存在效率較低、留茬高度不均勻、薯秧易于機器纏繞等問題。國外關于馬鈴薯殺秧機的產品很多，但主要適用于大塊地作業，難以適應我國丘陵山區小地塊作業。另外國外馬鈴薯殺秧機價格比較昂貴，限制了其推廣應用。因此，亟需開發適合我國國情的馬鈴薯殺秧裝置[9]。

本文基于ANSYS Workbench/LS-Dyna對馬鈴薯殺秧裝置進行了仿真試驗，對殺秧裝置的參數進行了優化，能為馬鈴薯殺秧機的進一步研究提供參考。

1 馬鈴薯殺秧裝置結構及工作原理

馬鈴薯殺秧裝置屬于旋轉式切割器，主要由動刀轉動架、動刀片、定刀片組成，其中動刀轉動架由轉動軸、分秧柱、動刀支撐板組成，整體結構如圖1所示，在工作過程中，殺秧裝置隨動力機械前進，由分秧柱將馬鈴薯秧蔓分成不同的切割區域，在動刀片轉動和動力機械前進的共同作用下，將馬鈴薯秧蔓推向定刀片，最終完成切割作用。

1.動刀支撐板 2.分秧柱 3.轉動軸 4.定刀片 5.莖稈 6.動刀片

2 馬鈴薯殺秧過程動力學仿真及模態分析

為了研究馬鈴薯秧蔓在殺秧過程中的應力和變形，本文基于ANSYS Workbench/LS-Dyna對馬鈴薯秧蔓的殺秧過程進行顯式動力學仿真以及模態分析。

2.1 模型導入

運用Solidworks對殺秧裝置和馬鈴薯秧蔓進行三維建模及裝配，馬鈴薯秧蔓主莖高度為100mm，主莖直徑為8 mm[10]，如圖1所示。圖中立式軸承座用于模擬動力機械，將模型以（.x_t）格式保存，并導入ANSYS Workbench/LS-Dyna。

2.2 材料及屬性賦予

根據相關文獻，成熟期馬鈴薯秧蔓軸向抗拉強度為2.073 MPa，剪切強度為0.819 MPa，軸向抗壓強度為5.75 MPa，徑向抗壓強度為1.674 MPa，其泊松比為0.25[11]。在Workbench中建立新材料，并將材料參數賦予馬鈴薯秧蔓，殺秧裝置材料采用默認結構鋼。為減少仿真時間，提高仿真效率，將馬鈴薯秧蔓、動刀片、定刀片設置為柔性體，將其余構件設置為剛性體。

2.3 網格劃分

分別對馬鈴薯秧蔓、動刀片和定刀片進行網格劃分，在DM中對馬鈴薯秧蔓切割部分進行切片處理并將切片后所得的各部分放入同一Part中，以使劃分后的網格在各部分連接處能夠保證共節點。為了保證仿真結果的精度并減少仿真計算時間，在網格劃分時，對馬鈴薯莖稈切割部分進行網格加密處理，劃分結果如圖2所示。對動刀片和定刀片進行六面體網格劃分，整體網格劃分結果如圖3所示。剛體部分網格僅有顯示作用，不參與計算，劃分結果共有149614個網格節點，51898個網格單元，網格質量較好，滿足計算需求。

圖2 馬鈴薯莖稈網格

圖3 網格劃分

2.4 施加約束

考慮殺秧裝置工作時的運動狀態，將動刀片固定約束在動刀支撐板上，對轉動軸和軸承內圈施加轉動約束，對軸承座和定刀片施加水平方向的前進速度并限制其他方向的自由度，添加接觸特性，將自動接觸定義為侵蝕接觸。

2.5 模態分析

殺秧裝置工作時，動刀轉動架以一定的速度旋轉，其在轉動過程中有[12]：

n=60f(1)

式中：n—臨界轉速（rad/s）；f—工作頻率（Hz）。

由式（1）可知，每一個轉速對應一個工作頻率，為了避免動刀轉動架因固有頻率和工作頻率相近發生共振而導致的殺秧裝置破壞，需要對殺秧裝置進行模態分析，以確定其固有頻率。由于動刀轉動架在轉動過程中會產生一定的離心力，會對模態分析的結果造成影響，所以需要將動刀轉動架的轉動考慮在內，即進行有預應力的模態分析[13]。

首先對動刀轉動架進行靜力學分析，依照實際工作狀況，限制其、及方向上的位移，對其施加繞方向上的600 r/min轉速，得到動刀轉動架的預應力，再進行模態分析，由于低階共振的危險性高于高階共振，且更易于觸發[14]，所以本次只求取前6階低階振型，前6階振型云圖如圖4所示，動刀轉動架各階固有頻率如圖5所示。

圖4 動力轉動架前六階振型云圖

圖5 動刀轉動架前6階固有頻率

由圖4和圖5可知，動刀轉動架的一階固有頻率為84.677 Hz，第六階固有頻率為120.63 Hz，隨著階數的增加，動刀轉動架的各階固有頻率也不斷增大。由式（1）可以計算出，最低臨界轉速為5080.62 r/min，遠遠高于動刀轉動架的工作轉速600 r/min～1200 r/min，而從圖4中可以得知達到四階固有頻率之后動刀轉動架才出現較為明顯的破壞，因此動刀轉動架在工作過程中不會因發生共振而破壞。由求得的模態結果可知，最大振動位移主要發生在分秧柱和動刀支撐板上，具體表現為分秧柱的彎曲和動刀支撐板的扭曲及傾斜，這是因為他們的強度相對小于轉動軸，但是在滿足使用要求的情況下無需進行優化。

3 仿真試驗方案設計與結果分析

3.1 方案設計

在馬鈴薯殺秧裝置的工作過程中，影響其切割效率的因素很多，主要包括殺秧裝置的結構參數、工作參數和秧蔓本身的物理特性。而馬鈴薯秧蔓的物理特性已經確定，需要通過改善殺秧裝置的結構及工作參數，來提高其切割效率[15]。相關研究表明，刀具的切割速度和刃角對切割效率有著一定的影響[16]，而馬鈴薯殺秧裝置的切割速度由動刀片的轉速和動力機械的前進速度共同組成，所以本文選取動刀片轉速、刀具刃角和前進速度作為實驗研究因素。農業機械的田間前進速度一般為5 km/h，所以前進速度的研究水平以5 km/h為中點上下等距浮動，而刀具刃角過大不利于切割，過小則易于折斷，所以選取刀具刃角為15°～45°，動刀片的轉速為600 r/min～1200 r/min，綜合考慮各因素所得因子水平表見表1。按照正交表L9（34）安排試驗方案，運用ANSYS Workbench/LS-Dyna對每次試驗按照相應數據進行顯式動力學仿真，設置時間為0.006 s，查看馬鈴薯莖桿在切斷過程中受到的剪切應力，以峰值剪切應力為優化指標，該指標越小越好，峰值剪切應力越小表明馬鈴薯莖稈越容易被切斷，可以降低切割能耗，提升切割效率，實驗方案及結果見表2。

表1 因子水平表

3.2 仿真結果分析

采用Excel軟件和SPSS軟件對仿真結果進行極差分析和方差分析，極差分析結果見表3。由極差分析的結果可知，各實驗因子對峰值剪切應力的影響主次為：刀具刃角B>動刀片轉速A>前進速度C。最優組合為A3B1C3，該組合也是表中最優組合，即為第7次實驗，實驗結果見表2，其峰值剪切應力為1.42 MPa，仿真結果圖如圖6所示。切割過程中馬鈴薯莖桿所受到的剪切應力如圖7所示。馬鈴薯秧蔓由粗纖維束組成，當刀片與粗纖維束接觸時，剪切應力上升，反之，剪切應力下降[17]。

方差分析結果見表4。由方差分析結果可知，刀具刃角B對峰值剪切應力的影響顯著，動刀片轉速A和前進速度C對峰值剪切應力有一定的影響力，方差分析結果符合極差分析結果，說明實驗結果是可靠的。

表2 試驗方案與結果

表3 極差分析

注：1j、2j、3j分別為各列1、2、3水平的峰值剪切應力之和；1j、2j、3j分別為各列1、2、3水平的平均峰值剪切應力。

表4 方差分析

注：顯著性水平=0.05。

圖6 仿真結束結果圖

圖7 剪切應力圖

4 結 論

本文設計了一款小型馬鈴薯殺秧裝置，利用Solidworks對其進行了三維建模，采用ANSYS Workbench對動刀轉動架進行模態分析，利用LS-Dyna對其工作過程進行顯式動力學仿真，選取動刀片轉速、刀具刃角和前進速度作為影響因子，進行虛擬正交試驗。主要結論如下：

（1）殺秧裝置的刀具刃角為影響剪切應力的主要因子，在適當的范圍內刀具刃角越小峰值剪切應力越小，越容易切割；動刀片轉速和前進速度對峰值剪切應力有一定的影響，動刀片轉速影響程度略大于前進速度；

（2）殺秧作業的最優組合為動刀片轉速1200 r/min、刀具刃角15°、前進速度7 km/h時，此時殺秧裝置對馬鈴薯莖稈的峰值剪切應力最小，為1.42 MPa；

（3）通過正交試驗仿真對馬鈴薯殺秧裝置的主要工作參數進行了優化，能為馬鈴薯殺秧裝置的結構設計、工作參數優化等提供基礎參考。

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Parameter Optimization of Potato Topping Device Based on ANSYS Workbench/LS-Dyna

SUN Si-yu1, LI Rui1, YANG Ming-jin1, WU Yi-fan1, HAN Ding-qiang1, YANG Ling1*, ZHANG Tao2, PANG You-lun2

1.400715,2.401329,

In view of the low of mechanization of potato harvesting in our country, manual work is still used to remove potato vines in many areas, which is labor-intensive, high-cost and low-efficiency. To solve these problems, this paper designed a device for potato topping. Three-dimensional modeling of the potato topping device was established by Solidworks software, and modal analysis of the topping device was carried out by ANSYS Workbench, so that the working frequency can avoid the natural frequency, so as to avoid the destruction of the topping device due to resonance. Through ANSYS Workbench/LS-Dyna, the working process of the topping device was simulated by explicit dynamic, and the virtual orthogonal simulation test was carried out with rotation speed of moving blade, cutter edge angle and forward speed as experimental factors. The range analysis and variance analysis of the simulation test results were carried out, and the optimal structure and working parameters of the topping device were obtained. Results show that the peak shear stress is the lowest when the rotating speed of the moving blade is 1200 r/min, the cutting edge angle is 15o and the forward speed is 7 km/h. At this time, topping work is easy.

Potato; topping device; parameter optimization

S225.7+1

A

1000-2324(2021)05-0799-06

2021-06-13

2021-06-28

重慶市科學技術局技術創新與應用發展專項(cstc2019jscx-gksbX0108)

孫思宇(1998-),男,碩士研究生,專業方向:機械設計. E-mail:1044845200@qq.com

通訊作者:Author for correpondence. E-mail:yangyaoling2000@126.com