0 引言

提高戈麻打葉過程脫葉率、減少發動機功率消耗是設計戈寶麻采葉機所必須考慮的問題.戈寶麻全身是寶,是野生高級纖維植物,是生長在我國北方鹽堿、沙荒地和河灘地的一種抗逆性很強的多年生宿根草本植物.其適應范圍廣,根蘗能力強,易形成塊狀連片植物群落,同時還具有獨特的保建功能,是理想的綠化植物和經濟植物,開發利用潛力巨大[1].通過過去和近幾年對羅布麻和戈寶麻一些研究文獻的分析表明,戈寶麻采葉機器的研發還處于起步階段.華南農業大學針對戈寶麻葉子的力學特性和生長外形,對其采葉器進行了研制,總質量不超過 120kg,并根據預備實驗的效果初步設計出戈寶麻的采葉機構,如圖1 所示.圖 1 中,兩水平移動機構帶動壓滾相互地往里運動,從而對中間戈寶麻產生擠壓作用;高速旋轉的柔性條對壓滾間的戈寶麻葉子進行鞭打,使其脫落.在設計柔性條機構及確定相關參數的過程中,需要測得柔性條在不同速度及方向鞭打戈寶麻時葉脈處產生的破壞力.現在采用的較為普遍的方法是通過試驗測量[2 -4],需要建立具有一定規模的試驗平臺,成本較大,而且試驗周期較長[5 - 6];而采用有限元仿真的方法對戈寶麻采葉機構進行設計則能夠大大降低試驗費用,縮短開發周期.目前,利用有限元的方法對農業生產過程中的切割器進行仿真還只是處于起步階段,還未能夠對切割過程中的刀具與被切割對象的復雜相互作用進行較為有效的模擬[7 - 9].

本文的主要研究工作是利用有限元軟件 LS_DY-NA 對柔性條鞭打戈寶麻葉過程進行仿真,在一定范圍內得出不同速度和打葉方向對葉脈處最大破壞力的關系,為采葉機構的設計提供依據.

1 仿真模型的建立

1. 1 材料模型的建立

戈寶麻葉子由葉片與葉脈組成,而葉脈與葉梗連接.葉子與葉脈采用相同的材料模型 - 單向復合材料模型,并且各自使用不同的力學參數.柔性條材料是尼龍 PA66,在 ls _dyna 上使用非線性彈性材料BLATZ - KO,該材料需要定義剪切模量.通過 WD -E 精密型微控電子式萬能試驗機測出葉片、葉脈、葉梗的彈性模量以及尼龍條的剪切模量,通過多次測試取平均值,測試次數為每種 50 次.

1. 2 建立幾何模型與劃分網格

根據文獻的記載,戈寶麻的葉形為橢圓狀披形至矩圓狀卵形,葉序為單葉對生,分枝處?；ド?成熟的葉片長約為 4cm,葉寬約為 1. 4cm,葉柄長約為 4mm,葉子厚度為 0. 2mm;葉脈與梗相連;戈寶麻的梗直立生長,直徑約為 2 ~3mm[1 0 - 1 1].由圖 1 可知,采摘的時候,上下滾筒對戈寶麻進行擠壓作用.對于戈寶麻梗來說,其上部與下部的位移因滾筒的擠壓而被約束住.因此,為簡化模型,梗的模型建立則取一段長約為 3cm、直徑為 2mm 的梁所代替,如圖 2 所示.

柔性條采用長 168mm、直徑 4mm 的圓柱實體.為了使計算簡化,對于葉脈和梗均采用梁單元 beam161.根據前面的模型,在 real 中設置各梁單元直徑.葉片采用殼單元 shell163,在 real\\(實常數\\)中設置殼單元的厚度為 0. 2mm.如圖 2 所示,為了使葉片與葉脈能夠相互傳遞應力,在劃分網格時采用同節點劃分.

1. 3 建接觸定義和加載

柔性條與葉片之間的接觸使用接觸算法* CON-TACT_AUTOMATIC _ SURFACE _ TO _ SURFACE.初始狀態的加載:對于柔性條給予一轉速度.當柔性條碰撞到葉面的時候速度會下降;而實際上,柔性條固定在恒定轉速的固定盤上\\(圖 1 所示\\),當柔性條碰撞到葉面時,其中部角速度也不會有太大的改變.為了符合試驗的實際,在柔性條外面套上一恒轉速的圓柱剛體,其轉速與柔性條相等.剛體與柔性條之間的接觸仍使用上述算法.

仿真過程中為了達到脫葉的效果,葉梗與葉脈之間采用點焊連接.對于點焊,其失效準則可以表述為

式中 fN、fS-點焊的法向和切向力;
SN、SS-點焊的法向破壞力和切向破壞力;
EXPN、EXPS-效準則中法向力和切向破壞力指數.

為得到上述參數,采用 WD - E 精密型微控電子式萬能試驗機,測試出戈寶麻葉脈被拉斷時的拉力與其被切斷時的壓力.采用采樣測試,測得葉脈被拉斷時的拉力約為 20. 6N,葉脈被切斷時的壓力約為 15. 3N;法向力和切向破壞力指數均設為 1.

2 仿真試驗設計

為了優化采葉機構的設計,達到較高的采葉率,需要算出不同打葉情況下戈寶麻葉脈的最大應力.本仿真實驗中考慮到 4 個因素會對葉脈處應力的最大值有影響,分別是柔性條的轉速和 3 個打葉角度 X、Y、Z.圖 3 說明了 3 個打葉角度所代表的方向.考慮到各因素之間有交互作用,采用 4 因素 5 水平的正交試驗.各因素取值如表 2 所示.

仿真中,記錄各情況下葉脈處的最大應力,分析轉速以及各個打葉方向對葉脈處產生的最大應力是否有顯著影響.

3 仿真結果及分析

3. 1 葉脈斷裂的形態及應力分布

采用試驗中的速度范圍值,在切割過程中刀具與甘蔗的相互作用時間約為 0. 1 ~0. 5ms,由于作用時間比較短,在實際試驗中難以觀察到其詳細的切割過程;而通過有限元仿真,則能夠對切割過程做一個較為詳細的觀察與分析.

圖 4\\(a\\) ~ \\(d\\)動態地顯示柔性條抽打戈寶麻葉片的過程,圖 4\\(e\\) ~ \\(f\\)為對應的葉子應力分布圖.

該過程可以分為 3 個階段:第 1 個階段為接觸階段,如圖 4\\(a\\)所示.剛開始柔性條與葉片接觸,使得葉片發生了輕微的變型.葉片上的最大 von miss 集中在柔性條與葉片的接觸點上,此時的最大應力約為7. 3MPa.第 2 個階段為柔性條與葉片之間的拉扯階段,如圖 4\\(b\\)和圖 4\\(c\\)所示.由于剛開始柔性條與葉片的碰撞,造成葉片有離開柔性條的趨勢,使得兩者之間的應力降低.如圖 4\\(b\\)中,在 t = 1. 2ms 時最大應力下降到 6. 8MPa 左右;隨著中間剛體的作用,柔性條轉速有加速的趨勢,使得葉片的應力上升.從圖4\\( e\\) 、\\( f\\) 可看出葉子的 von miss 有明顯的上升,最大值達到整個過程的最高值約為 7. 8MPa 左右.第 3 個階段為葉子的斷裂階段,如圖 4\\(d\\)所示.由于兩者的正壓力、摩擦力的作用以及柔性條的旋轉運動,使得葉子有離開葉梗的趨勢.在葉梗處有明顯的變型,當葉脈處的應力達到葉脈與葉梗處的法向或切向的破壞力時,葉子脫離葉梗.

3. 2 柔性條擊打的角度以及轉速對葉脈處最大破壞力的影響

通過正交試驗 L25\\(54\\)考察不同的轉速\\(因素 a\\)與不同的方向\\(因素 b、c、d\\)對葉脈處最大破壞力的影響.在 ansys 中使用 ETABLE 與 PRETAB 命令,能查出葉脈處的相關參數.正交仿真試驗結果如表 3 所示.

由表 3 可知,各因素對結果形響大小的排列為 Z> 轉速 > X > Y.其中,轉速以及因素 Z、X 的顯著值\\(即 SIG 值\\)均小于 0. 05,可知此三因素對結果的影響顯著.因素 Y 的顯著值大于 0. 05,因此因素 Y 的改變對結果的形響不顯著.

由圖 5 可以看出,葉脈處的應力隨柔性條轉速的增高而增高.對于應力影響最大的因素 Y,當 Y = 90°時\\(即當柔性條的旋轉中心與葉片在同一水平面時\\)達到最大應力;而隨旋轉中心向上或向下達時,應力急劇減少.當旋轉中心與葉子幾乎在同一垂直位置時,應力達到最小值.在實際的設計中,應盡量使更多葉子與水平處的柔性刀進行接觸,從而達到更高的脫葉率.從因素 X 的趨勢圖中可知,當柔性條鞭打的方向與葉片表面平行的時候應力最小,垂直方向應力最大.x =0°時\\(即柔性條從上往下正打葉子\\)的應力大于 x = 180°時\\(即柔性條從下往上正打葉子\\)的應力.因此,在實際的設計中應采取從上往下打的方案,而且要采取策略使得葉子的葉面盡量地平行于柔性條.對于 Y 因素,因為影響不顯著,實際中可不予以考慮.

4 結論

本文通過有限元軟件,在不同的柔性條轉速和角度條件下對戈寶麻葉子鞭打進行了仿真分析.分析結果表明:鞭打過程中,柔性條轉速的變化、X 向和 Z向的改變對葉脈處應力的影響較為顯著,而 Y 向的改變對葉脈處的應力影響不大;應力隨柔性條的轉速的增大而增大,在柔性條與葉片平行時,葉脈的應力達到最高值.

此仿真結果為本樣機的設計提供了重要的理論基礎,同時也減少了實際試驗中的成本,對于后續的樣機改進也有一定的參考價值.

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