甘蔗切割过程的有限元仿真.pdf

《甘蔗切割过程的有限元仿真.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第27卷2011危第2期2月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．2Feb．2011161甘蔗切割过程的有限元仿真黄汉东，王玉兴※，唐艳芹，赵锋，。孔祥发(华南农业大学南方农业机械与装备关键技术重点实验室，广州510642)摘要：为了提高微型甘蔗切割器的性能，需要得到刀具倾角与切割速度对切割力，切割耗功，破头率等的影响。该文利用ANSYS／LS．DYNA对甘蔗切割过程进行有限元仿真。在仿真中建立了不同的刀具倾角以及切割速度组成的有限元模型，并使用LS．DYNA提供的MATWOOD材料模型以及接

2、触侵蚀算法进行数值计算。仿真结果表明，切割速度变化对切割过程中的切割力，能量损耗和刀具最大应力的影响较为显著，倾角变化对切割力的影响较为显著。动刀倾角为00时，切割力最小，动刀速度在0．5～O．9m／s范围内，切割速度越大切割力越大。通过与试验的对比，发现在仿真中速度的变化对切割力大小趋向的影响与试验结果吻合，切割力最大值的相对误差小于20％。甘蔗切割的有限元仿真能降低试验成本，缩短试验时间，为样机的设计提供了依据。关键词：甘蔗，收获机，计算机仿真，ANSYS，侵蚀算法doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2

3、011．02．027中图分类号：S225．5文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)一02—0161—06黄汉东，王玉兴，唐艳芹，等．甘蔗切割过程的有限元仿真Ca]．农业工程学报，2011，27(2)：161—166．HuangHandong，WangYuxing，TangYanqin，cta1．Finiteelementsimulationofsugarcanecutting[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(2)：161—166．(inChinesewithEnglishabst

4、ract)0引言降低切割器的功耗，降低破头率，提高刀具使用寿命等是切割器设计时需要考虑的问趔卜21。各类收获机械上的切割器主要分2种：往复式和旋转式。在甘蔗收获机中，大都是旋转式切割器，但其需要的功率较大【3巧】。华南农业大学所研制的一种微型砍蔗器，总质量(包括空气压缩机)不超过160kg，而且体积较小，收获机长度和宽度均不超过1．1in。采用往复式的切割器，将刀具安装在冲击气缸上，利用压缩空气作为动力源，如图1所示。使用时，操控者一只手控制手柄完成行走的控制以及对刀和砍蔗的工作，另一只手则可以扶起倒伏的甘蔗，不仅实现了甘蔗收获

5、机的微型化，而且，特别适用于丘陵、坡地等小地块甘蔗收获。在切割器的设计过程中，为了测得切割力，切割耗功等，现在采用的较为普遍的方法是通过试验测量C2-3,6]，这类试验需要建立具有一定规模的试验平台，成本较大，而且试验周期较长[1,7-s1。而采用有限元仿真的方法对甘蔗切割器进行设计则能够大大降低试验费用，缩短开发周期。所以，这将是切割器设计发展的一个重要方向。目前，利用有限元的方法对农业生产过程中的切割器进行仿真还只是处于起步阶段，还未能够对切割过程中的刀具与被切割对象的复杂相互作用进行较为有效的模拟【9-12l。本文的主要研

6、究工作就是利用有限元软件收稿日期：2010-05．23修订日期：2010-11-06作者简介：黄汉东，男．主要从事农业机械设计方面的研究。广州华南农业大学工程学院，510642．Email：lIll02009@foxmail．corn※通信作者：王玉兴，博士，教授，主要从事农业机械设计方面的研究．广州华南农业大学工程学院，510642．Emaihscau．wyx@tom．comLS．DYNA对微型砍蔗切割器的切割过程进行仿真，在一定范围内得出切割耗功．切割力、刀具最大应力与刀具倾角和切割速度的关系，为刀具的设计提供依据。4765

7、1．操控手柄2．刀具升降机构3．电池4底盘5．冲击汽缸6．动刀7．定刀图l微型气力式砍蔗收获机总装图Fig．1Overallassemblyofsmallpneumaticsugarcaneharvester1仿真模型的建立1．1材料模型的建立甘蔗的茎秆主要由蔗皮和蔗芯组成，根据对其结构特点、力学性能、破坏形式的研究，以单向复合材料模型作为蔗皮和蔗芯的材料模型【8】。该材料模型具有4个弹性常数：轴向，径向和剪切弹性模量以及主泊松比；5个强度特征值：轴向拉伸强度、径向拉伸强度，轴向压缩强度、径向压缩强度和面内剪切强度。由于受到甘蔗

8、本身复杂的微观结构和相关仪器设备的限制，甘蔗力学性能的测量还存在很多困难。目前，已经测出蔗芯的9个162农业工程学报2011矩力学性能参数和蔗皮的3个力学性能参数，蔗皮的轴向、径向压缩强度，面内剪切强度和轴向、径向、剪切弹性模量均未能测出。考虑到蔗皮和蔗芯纤维组