【基于ANSYSA的某甩刀式割草机切割模拟与试验分析案例5100字】

基于ANSYSA的某甩刀式割草机切割模拟与试验分析案例目录TOC\o"1-2"\h\u13823基于ANSYSA的某甩刀式割草机切割模拟与试验分析案例 1224711.1葎草茎秆本构模型的构建 1235581.2葎草茎秆材料的选择 3138801.2切割过程算法的选择 4183701.3葎草切割模型构建与前处理 6296881.4正交试验设计结果分析 8187601.5对比实验 1215821.6沙漏能与总内能 13309511.7小型台架割草试验 131.1葎草茎秆本构模型的构建1.1.1有关假设藤茎类茎秆的每个个体之间以及各部位都是不同的，为了简化仿真模型，对藤茎类茎秆进行抽象简化，做出如下假定：（1）茎秆为粗细均匀的标准圆柱体。（2）将茎秆皮层与内部的力学性能力学性能视为相同。（3）不考虑茎秆微观缺陷，从而考虑其宏观特性，假定葎草茎秆具有横观各向同性的特性（董瑞2020）。1.1.2本构模型的构建材料的本构关系是在材料宏观性质的数学上的一种表达形式，而本构模型就是本构关系表达成具体的数学形式（刘庆庭等2007）。葎草茎秆属于藤茎类植物，可以视为各向异性材料，且具有三个对称面，弹性理论依然适用（郭茜2016）。葎草茎秆在轴向、弦向和径向三个方向具有不同的力学性质，属于正交各向异性材料。其弹性刚度由9个常数组成，分别是、、、、、、、、，其中，G：剪切模量，E：杨氏模量，：泊松比。一般本构关系如4-1所示：（4-1）为了表述简洁方便，通过下标数字1、2、3分别表示三个方向的应力与应变，下标数字4、5、6分别表示三个方向的剪应力和剪应变。以上的元素可以用其他参数表示，如下：（4-2） （4-3）根据本构矩阵的对称的性质，将泊松比代入可得：（4-4）材料的弦向和径向力学性质相差较小时，可以假定材料是一种横观各向同性材料（丁皓江等1997），即认为材料具有相同的弦向和径向的力学性质。将茎秆的弹性常数减少剩以下几个参数：、、、和，这将大大减小工作量。其中泊松比可以由下列公式得出：（4-5）其中，，。因此，只需要求出、、、与五个参数，就可知其他参数，并得出本构方程。1.1.2葎草茎秆弹性参数的确认根据文献对葎草茎秆试验可知，葎草茎秆材料拉伸弹性模量为90.08MPa、拉抗强度10.5MPa、剪切模量31.64MPa、弯曲弹性模量11.85MPa（彭紫晗2020）。当轴向弹性模量已知时，其他参数可通过该公式估算：。轴向泊松比与径向及弦向泊松比一般满足。最终确定葎草茎秆材料的参数如表4-1所示：表4-1葎草茎秆弹性参数Table4-1Humulushumulusstalkelasticparameters参数单位MPaMPaMPaMPaMPaMPa茎秆90.089.0089.00831.6431.643.4640.30.30.031.2葎草茎秆材料的选择葎草茎秆切割的过程是葎草茎秆被刀片碰撞导致破坏的过程，在切割过程中发生一系列物理现象。在切割仿真过程中，由于甩刀的强度远大于葎草茎秆，可以忽略刀片在切割时产生的变形，将刀片看作是刚体。刀片切割茎秆会使葎草茎秆产生弯曲变形；切入葎草茎秆之后，茎秆会经历从弹性变形到塑性变形的转变，于是刀片完全破坏葎草茎秆，一个完整的切割过程结束。其中Joohn-Cook材料模型的本构方程的材料屈服应力可以简化为如下式子（刘庆庭等2007）：（4-6）式中，表示塑性应变，与分别表示当=0.1时的应变比例值之和，为室温，为熔化温度。（4-7）公式中，第一个括号中的代表的是在满足和的条件时，应力与应变之间的数学关系。第二个括号中的式子表示的是应变率的影响。A、B、C、n、m等字母符号则是分别表示不一样材料常数。它们有各自的含义：A代表屈服应力。当满足条件下的屈服应力，一般增大A与B常数的准静态值，就可以得到较为理想的结果。含参数C的本构方程室温下在可表示成：（4-8）式中：（4-9）（4-10）（4-11）断裂应变可以通过如下公式表达： （4-12）其中，代表的是无量纲压力-应力比（4-13）（4-14）（4-15）（4-16）其中，：主应力，：主应变率。Gruneisen状态方程：（4-17）膨胀材料的压力定义：（4-18）1.2切割过程算法的选择显式动力学有限元的方法在有有限元中，对非线性问题也是一种较好的办法，可大大简化运算过程，减少庞大低效的工作量。在切割过程中，当刀片切割葎草茎秆时，发生接触从而导致失效，当刀片切进葎草茎秆内部时，接触部分是应力集中位置，应力较大。以显式动力学的相关算法如下：

1）控制方程

质点的运动可以描述为：（4-19）当t=0时的起始条件是：（4-20）式中，—初始速度。（4-21）其中，—柯西应力；—单位质量体积力；—加速度。（2）质量守恒：（4-22）—当前质量密度；—初始质量密度；—相对体积比。（3）能量方程：（4-23）（4-24）（4-25）—构型体积；—应变率张量；q—体积粘性阻力；—偏应力；p—压力。，（4-25）（4）面力边界条件：（4-25）—边界外法线余弦（j=1，2，3)；—面力载荷，(i=1，2，3)。2）人工体积粘性控制和沙漏粘性阻尼切割葎草茎秆的过程实际上属于侵彻问题，茎秆在切割过程中将会失效，且产生大变形。一般使用沙漏粘性阻尼分析沙漏解决结果的数值震荡问题，在这里使用Standard算法。代入各节点处：（4-26）：沙漏模态的模，：沙漏基矢，k：第k个分量，其关系式如(4-27)所示：（4-27）其中，，表示用户指定常数，C代表声速，代表密度。（4-28）在发生侵彻的过程中，会造成求解方程组求解困难。引入系数人工体积可以很好地消除数值的不稳定的现象，从而简化方程的求解。LS-DYNA程序中的标准算法是：（4-29）其中，l表示特征长度；a表示声速；表示密度；应变率张量的迹可以用公式表示为：；与都属于无量纲常数。.1.3葎草切割模型构建与前处理1.3.1切割模型的简化由于工作量巨大，适当的对葎草茎秆模型进行简化：（1）假设葎草茎秆质量分布均匀的圆柱体。（2）建模对象为一根茎秆，不考虑茎秆之间的牵连。（3）把匍匐状的葎草看做垂直于刀柄，不考虑其他位置葎草。（4）忽略葎草茎秆节的影响，把切割看作为切割节间组织的过程。（5）在不发生穿透的条件下，保证刀具与茎秆的距离不能太大，减少仿真计算量。1.3.2参数设置与模型前处理切割过程模型前处理与有关参数设置如下：设定材料参数，由于刀片硬度远大于茎秆，因此设刀片在切割过程中不变形，可以当作为是刚体，其材料是65Mn，主要参数如表4-2所示：表4-2刀片材料参数Table4-2Bladematerialparameters材料密度弹性模量泊松比65Mn0.3（2）对模型及进行有限元网格划分，刀具采用刚形体，葎草茎秆采用柔性体，秸秆切割区域采用0.2mm尺寸的单元，其他区域采用0.5mm的网格尺寸，刀具网格采用0.5mm，采用三角形网格划分，图4-1为刀具切割葎草茎秆有限元网格模型。整个模型节点数为25603个，其中刀具网格数为3632个，葎草茎秆网格数为19704个。图4-1刀具切割葎草茎秆有限元网格模型Fig.4-1Thefiniteelementmeshmodelofthestrawcuttingbythecutter（3）茎秆与刀具均采用的是solid164单元。图4-2单元算法定义Fig.4-2Unitalgorithmdefinition（4）设定刀片与葎草茎秆的接触类型为面—面侵蚀接触，设置，其动摩擦系数取0.15，静摩擦系数取0.1，设定接触刚度取0.1。图4-3接触算法定义Fig.4-3Definitionofcontactalgorithm图4-4接触刚度设定Fig.4-4Contactstiffnesssetting（5）设置刀具初始速度及定义约束：限定刀具所有的平动自由度，并限定除绕Z轴以外的其他转动自由度，把茎秆的约束设为全自由度约束；设置刀具绕着离铰接孔中心104cm处旋转，转速为1200r/min。（6）设置步长因子。步长因子的大小与求解时间与效率密切相关。为了防止在运行过程中产生负体积的现象，所以将步长因子设定为10。1.4正交试验设计结果分析1.1.1正交试验设计为了确定更合理的刀具具体参数，以刀具折弯角、三角锯齿齿高和齿根宽为因素，研究茎秆切割效果，选取其中最优参数组合。由于传统甩刀折弯角为40°，故取折弯角分别为40°、45°、50°。对于三角形锯齿而言，锯齿尺寸过大，切割粉碎效果不佳，锯齿尺寸过小，锯齿容易磨损。根据文献可知，锯齿齿高为3mm～5mm，锯齿齿根宽为3.5mm～3.9mm，对秸秆具有良好的切割效果，故取锯齿齿高分别为3mm、4mm、5mm，取锯齿齿根宽分别为3.5mm、3.7mm、3.9mm（郭俊等2017）。表4-3因素水平表Table4-3FactorsHorizontalTable水平因素ABC刀具折弯角（°）锯齿齿高（mm）锯齿齿根宽（mm）14033.524543.735053.9为了表达方便，把因素水平组合为，即参数为折弯角40°、锯齿齿高3mm和锯齿齿根宽为3.5mm的甩刀，成为1号刀；类似的，因素水平为的甩刀叫做2号刀；如图4-7、4-8分别表示1、2号刀具切割茎秆应力云图，图4-9表示两种刀具切割过程中切割力大小随时间的变化图。（a）t=0.0003996s（b）t=0.00007992s（c）t=0.000119988s（d）t=0.000159948s（e）t=0.000199908s（f）t=0.000239976s图4-71号刀具切割茎秆过程云图Fig.4-71Toolcuttingstemsimulationprocess（a）t=0.0003996s（b）t=0.00007992s（c）t=0.000119988s（d）t=0.0003996s（e）t=0.00007992s（f）t=0.000119988s图4-82号刀具切割茎秆过程云图Fig.4-81Toolcuttingstemsimulationprocess图4-91、2号刀切割过程受力曲线Figure4-91、2knifecuttingprocessforcecurve以图4-7中的1号刀具切割茎秆为例，当刀具接触到茎秆时，瞬间产生较大应力，在切割过程中前段应力会有所增加，茎秆将要被切断时应力值达到峰值，随后应力急剧减小至0；切割力在刀具接触到茎秆后，切割力先急剧上升到最大值，随着刀具进一步破坏茎秆，切割力逐渐减小至0。2号刀具在切割过程中应力变化规律类似，对切割力与1号刀具相比而言，最大切割力有所下降，切割力具有明显不同的变化。1.1.2正交试验结果分析（1）试验结果采用最大切割力与比能耗作为试验指标。比能耗的定义为切割破坏单位质量葎草茎秆所消耗的能量的比值，比能耗越大，说明破坏一定质量葎草茎秆需要的能量越多，即切割效率越低（王延蒙等2020）。在本文中，提取切割破碎消失的质量与切割消耗的能量的比值，即为比能耗。根据正交因素表4-3中的参数建立模型，进行切割仿真并得到结果记录数据，最后得到正交试验表如4-4所示：表4-4正交试验结果Table4-4Orthogonaltestresults试验号ABCD（空）试验结果最大切割力/N比能耗1111177.8020.7992122265.3780.9343133362.9510.7114212377.2030.9295223160.2401.7306231252.9000.9267313285.7121.0208321371.4540.9759332173.3700.674（2）极差分析为了得到因素A、B、C对比能耗优水平，主次顺序以及优化组合，对比能耗进行极差分析，表4-5为比能耗的极差分析。表4-5比能耗极差分析表Table4-5Extremelypoorspecificpowerconsumptionanalysistable参数ABCD（空）K10.0310.0110.0110.002K20.1960.1940.0290.022K30.0290.05100.2160.232极差R0.1670.1830.2050.230优水平主次因素C、B、A由极差分析表可知，空列项极差在所有因素中最大，因素A、B、C均对比能耗不显著，比能耗优水平为，即甩刀折弯角50°、锯齿齿高3mm、锯齿齿宽3.5mm。为了得到因素A、B、C对最大切割力优水平，主次顺序以及优化组合，对比能耗进行极差分析，表4-6为最大切割力的极差分析。表4-6最大切割力极差分析表Table4-6Maximumcuttingforcerangeanalysistable参数ABCD（空）K143.229126.783116.50656.251K2142.27636.82729.962185.660K391.435113.330130.47235.029极差R99.04776.503100.510159.631优水平主次因素C、A、B由极差分析表可知，空列项极差在所有因素中最大，因此，因素A、B、C均对最大切割力不显著，最大切割力优水平为，即甩刀折弯角40°、锯齿齿高4mm、锯齿齿宽3.7mm。结合比能耗与最大切割力两种指标的极差分析，综合选择因素组合，即甩刀折弯角50°、锯齿齿高4mm、锯齿齿宽3.7mm。1.5对比实验根据正交试验结果，建立优水平刀具切割模型，进行切割仿真计算如图所示，得出切割茎秆比能耗为0.621，最大切割力为53.112N；结合传统直刃甩刀切割茎秆比能耗与最大切割力，新型刀具与传统直刃甩刀的相比比能耗为小37.8%，最大切割力小31.7%。（a）t=0.00003996s（b）t=0.00007992s（c）=0.000119988s（a）t=0.0003996s（b）t=0.00007992s（c）t=0.000119988s图4-10普通直刃甩刀切割过程应力云图Fig.4-10Thestressclouddiagramoftheordinarystraight-edgeflailknifecuttingprocess图4-11普通直刃甩刀切割过程受力曲线Fig.4-11Forcecurveofordinarystraight-edgedflailknifeincuttingprocess图4-12新型甩刀切割过程受力曲线Fig.4-12Theforcecurveofthecuttingprocessofthenewflailknife1.6沙漏能与总内能在通常情况下认为：在仿真结果中，当沙漏能与总内能的比值小于0.1时，可以认定为仿真有效，能够真实反映茎秆切割过程（薛忠2018）。以1号刀具为例，沙漏能与总内能与时间的关系如图所示：图4-13沙漏能与时间关系Fig.4-13Therelationshipbetweenhourglassenergyandtime图4-14总内能与时间关系Fig.4-14Relationshipbetweentotalinternalenergyandtime1.7小型台架割草试验为了验证新型刀片的合理性，现搭建设计一款小型手推式割草台架进行试验，根据上述仿真试验分析，将新型刀片与普通刀片在不同转速下进行割草试验，手推式割草台