开题报告-基于有限单元法的苎麻茎秆力学性能分析.doc

武汉科技学院毕业设计（论文）开题报告课题名称基于有限单元法的苎麻茎秆力学性能分析院系名称机电工程学院专 业机械设计制造及其自动化班 级机设054学生姓名1 本课题的研究意义及目的中国是麻类生产大国常年种植的麻类作物有苎麻、亚麻、红麻、黄麻、剑麻、工业大麻，还有大量的野生罗布麻。由于麻类纤维具有挺阔、透气、吸汗和散热等特点麻类产品越来越受到各国人们的青睐。苎麻是我国特有的传统特色的经济作物，苎麻织品也是我国重要的出口创汇物质，其纤维是纺织工业的优质原料。苎麻单纤维较粗而长，是天然纤维中强度最强的纤维，能加工成高支数的纯麻细薄织物，且具有凉爽、散热快和天然的抗菌特性，广泛受到国际消费市场的青睐。我国85%以上的苎麻纺织品用于出口。主要出口欧洲市场、东南亚市场、中东市场、北美市场。尤其是苎麻纱线及其纺织品和棉麻混纺织品，无论是数量上还是价格，在国际市场上均处于垄断地位，没有一个国家能与中国竞争。同时，由于欧美对棉花和化纤产品设限种类较多，为适应市场，减少贸易摩擦，棉花和化纤企业将进一步调整产品结构，苎麻纤维作为一种天然生态纤维，在一定程度上会替代部分棉花和化纤产品，必将会对麻类产品产生巨大的需求。剥麻是苎麻收获的关键环节，一直是制约我国苎麻生产效益提高和苎麻纺织品上档次的瓶颈。苎麻剥制机械加工过程中，采用人力反拉式剥麻机，劳动强度大且生产效率低。在研发全自动剥麻机中，忽略了被加工物料(苎麻茎秆)的力学特性研究，仅靠经验估测。因此，机械剥麻仍达不到理想的效果。研究苎麻茎秆各组成部分的力学特性，对深入探讨苎麻的剥制机理、不同剥制方式及荷载具有重要的理论指导意义。特别是为研发全自动剥麻机的茎秆夹持装置及韧皮纤维夹紧输送装置提供重要参数依据，也是建立苎麻茎秆材料模型和茎秆在各种荷载下结构关系的基础。2 国内外研究现状植物秸秆是自然界中常见的植物茎干结构。茎的形式分为实心和管状两种，实心茎通常的形式是在轻巧的泡沫型的中心周围围绕着连续的管状外皮，管状的茎是由不同直径的管状圆柱所构成。且芯对该植物秸秆的强度及稳定性具有不可忽略的影响。某些有芯植物秸秆还具有规律分布的节结构，用以增加其自身的抗倒伏、抗冲击等性能。这些植物秸秆结构可以抽象为具有各向异性特征的复合材料，外层包裹具有各向异性特征的柱状内芯及节，且各部分材料特性差异很大。许多这类有芯秸秆己被人们开发利用，并创造出可观的经济效益，这就对秸秆的收获、加工提出了越来越高的要求。比如甘蔗秸秆、玉米秸秆的收获机械，其刀具的设计是否合理直接关系到生产效率的提高以及能耗的多少。对于植物材料的简单力学参数已有很多相关报道，试验方法多种多样，涉及的植物种类亦是非常繁多。试验方法根据研究目的的不同主要有静力学方法和动力学方法。力变形关系：研究农产品在自然状态下的力变形特性可得到在工程分析和设计中有参考价值的数据。由于原料在运输和加工时一般以自然状态承受各种机械作用，所以开展完整形态下物料力学特性的研究有着重要的理论价值和现实意义。国内有人曾研究了完整形态的苹果在静载作用下的变形规律。应力应变关系：测定物料的应力应变关系曲线时，需将物料制成试件，采用传统的工程材料试验方法，依照应力应变关系提供试验数据。这样类型的试验有同轴拉伸、同轴压缩、剪切以及弯曲等。同轴拉伸的试验结果有：极限抗拉强度的变化。该变化大部分是茎秆含水量和干物质容积密度综合影响的结果，与含水量成反比，与干物质密度成正比。同轴压缩试验表明：茎秆试件的破坏类型取决于植株试件的直线性以及长度和直径比，一般试件长度取为1.97.6cm。当长度和直径之比大时，大部分茎秆是弯曲破坏。本课题借助Comsol 软件，利用有限元技术研究刀具切割苎麻秸秆时苎麻秸秆的应力变化过程。对相应的苎麻机、剥麻机制造所需要的各种参数具有指导性的意义。3 有限元分析技术在固体生物物料中的应用有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的变分原理建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解后可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。应用Comsol软件的过程一般分为三步:建立结构的有限元模型;施加载荷和各件的求解;结果评价和分析。有限元分析技术在固体生物物料领域显现出极大的应用前景。由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可以灵活地模拟和逼近复杂的求解域。显然，如果插值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解的精度会不断提高而最终收敛于问题的精确解。有限单元分析的基本步骤如下：(1) 建立求解域并将其离散化为有限单元，即将连续体问题分解成节点和单元等个体问题；(2) 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数；(3) 建造单元方程，构造单元整体刚度矩阵； (4) 施加边界条件、初始条件和载荷；(5) 求解线性或非线性的微分方程，得到求解结果，例如得到不同节点的位移量、应力应变量等； (6) 得到其他重要信息。4 课题研究的内容和目标本研究结合计算机数字模拟技术，以弹性力学、接触力学、有限单元法为基础，建立相应的力学模型；在有限元软件下模拟了不同载荷下茎秆的变化规律和方式。根据所得的图形分析，找出苎麻茎秆分离的最佳方式。参考木材、甘蔗物理模型及本构关系建立的基础上，将苎麻茎秆抽象为具有韧皮纤维、木质部结构的空心圆柱体线弹性力学模型，且每一组成部分的材料为具有横观各向同性的性质，确立韧皮纤维、木质部为横观各向同性的本构关系。根据已测得的苎麻茎杆的平均尺寸和材料参数建立适当的力学模型。在Comsol软件下分别在径向、切向、轴向上不同边界条件上分别施加60N至500N等均部载荷。得出了不同的应力应变的变化图和接触力，找出它在不同边界条件下分离的方式。在不同载荷下的变化图进行比较分析，得出了相应的变化规律。主要所需要完成的内容有：苎麻茎秆的建模，对所建模型进行有限元网格划分，设定相关控制参数、输出控制参数，完成切割的模拟过程并分析此过程中苎麻秸秆的应力变化，最后根据所得结果反过来指导相应参数的变化。实现有限元分析，建立其模型可以代替实物实验，并可反向推导出相关的工程常数，进一步建立更为合理的力学模型；推动苎麻机剥麻和收割机的开发设计。5 课题的研究方案l 根据已有的苎麻弹性参数利用Comsol软件对苎麻进行实体建模并进行有限元网格划分，设定相关约束、加载和初始条件定义；l 设置求解相关控制参数，输出控制设定，改变主要参数，对比输出结果；l 通过多组相关控制数据得到多组结果进行分析比较，得到最终结论；l 根据分析过程、结果及后期操作总结出论文。6 参考文献1 苏工兵. 苎麻茎秆力学建模及有限元模拟分析研究.博士学位论文.20072 苏工兵,刘剑英,王树才,廖兴红,文友先. 苎麻茎秆拉伸力学性能的试验研究. 农机化研究. 20083 苏工兵,刘剑英,程世俊,文友先. 苎麻茎秆的力学性能及力学建模方法. 农机化研究. 20074 COMSOL Multiphysics有限元法多物理场建模与分析. 中仿科技有限公司5 苏工兵，刘剑英，程世俊，文友先. 苎麻茎秆的力学性能及力学建模方法J. 农机化研究. 2007.6 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程.北京：清华大学出版社，20057 吕江南，龙超海，何宏彬. 苎麻纤维剥制技术及剥制加工机械研究与展望. 中国农机化，第5期8 白化奎,纪良. 苎麻增强木材纤维压制纤维板初探. 林业机械与木工设备.