资源描述：
《柔性条鞭打戈宝麻叶过程的有限元分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、柔性条鞭打戈宝麻叶过程的有限元分析 0引言 提高戈麻打叶过程脱叶率、减少发动机功率消耗是设计戈宝麻采叶机所必须考虑的问题.戈宝麻全身是宝,是野生高级纤维植物,是生长在我国北方盐碱、沙荒地和河滩地的一种抗逆性很强的多年生宿根草本植物.其适应范围广,根蘖能力强,易形成块状连片植物群落,同时还具有独特的保建功能,是理想的绿化植物和经济植物,开发利用潜力巨大[1].通过过去和近几年对罗布麻和戈宝麻一些研究文献的分析表明,戈宝麻采叶机器的研发还处于起步阶段.华南农业大学针对戈宝麻叶子的力学特性和生长外形,对其采叶器进行了研制,总
2、质量不超过120kg,并根据预备实验的效果初步设计出戈宝麻的采叶机构,如图1所示.图1中,两水平移动机构带动压滚相互地往里运动,从而对中间戈宝麻产生挤压作用;高速旋转的柔性条对压滚间的戈宝麻叶子进行鞭打,使其脱落.在设计柔性条机构及确定相关参数的过程中,需要测得柔性条在不同速度及方向鞭打戈宝麻时叶脉处产生的破坏力.现在采用的较为普遍的方法是通过试验测量[2-4],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[5-6];而采用有限元仿真的方法对戈宝麻采叶机构进行设计则能够大大降低试验费用,缩短开发周期.目前,利
3、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[7-9]. 本文的主要研究工作是利用有限元软件LS_DY-NA对柔性条鞭打戈宝麻叶过程进行仿真,在一定范围内得出不同速度和打叶方向对叶脉处最大破坏力的关系,为采叶机构的设计提供依据. 1仿真模型的建立 1.1材料模型的建立 戈宝麻叶子由叶片与叶脉组成,而叶脉与叶梗连接.叶子与叶脉采用相同的材料模型-单向复合材料模型,并且各自使用不同的力学参数.柔性条材料是尼龙PA66,在ls_d
4、yna上使用非线性弹性材料BLATZ-KO,该材料需要定义剪切模量.通过ATIC_SURFACE_TO_SURFACE.初始状态的加载:对于柔性条给予一转速度.当柔性条碰撞到叶面的时候速度会下降;而实际上,柔性条固定在恒定转速的固定盘上(图1所示),当柔性条碰撞到叶面时,其中部角速度也不会有太大的改变.为了符合试验的实际,在柔性条外面套上一恒转速的圆柱刚体,其转速与柔性条相等.刚体与柔性条之间的接触仍使用上述算法. 仿真过程中为了达到脱叶的效果,叶梗与叶脉之间采用点焊连接.对于点焊,其失效准则可以表述为 式中fN、fS
5、-点焊的法向和切向力;SN、SS-点焊的法向破坏力和切向破坏力;EXPN、EXPS-效准则中法向力和切向破坏力指数. 为得到上述参数,采用Pa.第2个阶段为柔性条与叶片之间的拉扯阶段,如图4(b)和图4(c)所示.由于刚开始柔性条与叶片的碰撞,造成叶片有离开柔性条的趋势,使得两者之间的应力降低.如图4(b)中,在t=1.2ms时最大应力下降到6.8MPa左右;随着中间刚体的作用,柔性条转速有加速的趋势,使得叶片的应力上升.从图4(e)、(f)可看出叶子的vonmiss有明显的上升,最大值达到整个过程的最高值约为7.8MP
6、a左右.第3个阶段为叶子的断裂阶段,如图4(d)所示.由于两者的正压力、摩擦力的作用以及柔性条的旋转运动,使得叶子有离开叶梗的趋势.在叶梗处有明显的变型,当叶脉处的应力达到叶脉与叶梗处的法向或切向的破坏力时,叶子脱离叶梗. 3.2柔性条击打的角度以及转速对叶脉处最大破坏力的影响 通过正交试验L25(54)考察不同的转速(因素a)与不同的方向(因素b、c、d)对叶脉处最大破坏力的影响.在ansys中使用ETABLE与PRETAB命令,能查出叶脉处的相关参数.正交仿真试验结果如表3所示. 由表3可知,各因素对结果形响大小
7、的排列为Z>转速>X>Y.其中,转速以及因素Z、X的显着值(即SIG值)均小于0.05,可知此三因素对结果的影响显着.因素Y的显着值大于0.05,因此因素Y的改变对结果的形响不显着. 由图5可以看出,叶脉处的应力随柔性条转速的增高而增高.对于应力影响最大的因素Y,当Y=90°时(即当柔性条的旋转中心与叶片在同一水平面时)达到最大应力;而随旋转中心向上或向下达时,应力急剧减少.当旋转中心与叶子几乎在同一垂直位置时,应力达到最小值.在实际的设计中,应尽量使更多叶子与水平处的柔性刀进行接触,从而达到更
8、高的脱叶率.从因素X的趋势图中可知,当柔性条鞭打的方向与叶片表面平行的时候应力最小,垂直方向应力最大.x=0°时(即柔性条从上往下正打叶子)的应力大于x=180°时(即柔性条从下往上正打叶子)的应力.因此,在实际的设计中应采取从上往下打的方案,而且要采取策略使得叶子的叶面尽量地平行于柔性
