往复式甘蔗切割器过程有限元仿真

许欣+尹志宏+孙先成+姜岱箐

摘要： 本文主要对有限元前处理软件Hypermesh和动力学分析软件LS-DYNA运用于往复式甘蔗切割过程的有限元仿真与建模分析，在Hypermesh中创建了甘蔗切割系统的有限元模型，并以K文件的格式导入LS-DYNA求解器进行动力学求解分析，利用LS-PROPOST软件对结果进行后处理，得到了甘蔗切割过程的等效应力云图以及位移云图，切割力曲线以及能量曲线，分析结果得到相关参数是符合设计要求。

Abstract： In this paper， finite element simulation and modeling analysis of finite element pretreatment software Hypermesh and kinetic analysis software LS-DYNA in reciprocating sugarcane cutting process are analyzed， a finite element model of sugarcane cutting system in Hypermesh is created， the K file format is introduced into the LS-DYNA solver for dynamic analysis， and the results are analyzed by using the LS-PROPOST software， then the equivalent stress cloud image and the displacement cloud image， the cutting force curve and the energy curve of the sugarcane cutting process are obtained. The relevant parameters are in line with the design requirements.

关键词： 有限元；甘蔗切割；建模；动力学分析

Key words： finite element；sugarcane cutting；modeling；dynamics analysis

中图分类号：TH128 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0148-03

0 引言

近年来，云南省甘蔗种植面积逐年增加，现已成为了我国第二大甘蔗产区，是云南省当地经济发展和农民脱贫致富的主要经济作物。由于云南省大部分甘蔗种植区是以山地、丘陵等小地块为主，因此大中型甘蔗收割机械并不适用，导致甘蔗收割作业强度增大以及收割效率降低，这既影响着大部分蔗农的生存环境，也影响着云南省制糖业的发展[1]。因此，研究出符合云南省地形特点的，经济实用的小型甘蔗收割机，对促进云南省蔗糖产业的发展和推动甘蔗机械化生产具有重大意义，故基于此本文通过运用建模分析软件对其相关参数系统进行分析比对得到理论上的验证。

1 切割器—甘蔗几何模型的建立

本文主要研究甘蔗收割机在切割作业过程中运动参数对切割性能的影响，在前处理分析之前，需要创建切割器和甘蔗的有限元模型，创建有限元模型通常由两种方法，一是利用三维建模软件创建几何模型并导入Hypermesh中；二是在Hypermesh中直接创建模型。由于收割机动刀片结构比较复杂，直接在ANSYS中建模比较困难，因此使用三维建模软件Inventor完成切割系统实体模型的创建，如图1所示，在不对仿真结果产生太大的影响前提下，创建甘蔗长度为100mm，直径选取为28mm，动刀片距离甘蔗底部20mm，动刀片为齿刃梯形刀片，刀片厚度为4mm，切割倾角为10°。

在Inventor中建立最终的三维实体模型后，将Inventor模型保存为IGES格式，再将IGES格式的文件导入Hypermesh中[2]。

2 模型處理

2.1 Hypermesh网格划分

根据切割模型的大小以及计算的准确度，本文主要采用自动式进行网格的划分。切割器—甘蔗有限元模型网格划分如图2所示，动刀片采用三角形进行网格的划分，网格尺寸为2mm，单元个数是23707；甘蔗使用混合单元类型（四边形和三角形）进行网格的划分，网格尺寸选择5mm，单元个数是2574个。

2.2 材料参数的选择

甘蔗主要由蔗皮和蔗芯组成，是一种非线性、各向异性、非均质的弹性材料，由于品种的不同导致了甘蔗的物理力学性能之间存在一定的差异，相同品种的甘蔗之间也有差别。甘蔗的蔗皮相对蔗芯比较薄，它们之间的力学性能相差也很大，其物理力学性能参数测量比较困难。因此，为了方便甘蔗模型的建立，将甘蔗的蔗皮和蔗芯看成一个整体，定义甘蔗材料为各向同性的塑性材料[3]。其塑性随动模型为

式中：？着1—应变率；？滓0—初始屈服应力；C—应变率参数；Ep—塑性硬化模量；—有效塑性应变；Ep=EtanE/E-Etan；？茁—硬化参数；E—弹性模量；Ep—塑性硬化模量。

刚性材料模型在显示动力学中有很重要的作用，刚性材料模型在求解运算过程中可以很好地减少运算时间，同时，在输入刚形体材料模型时不仅可以定义弹性模量、泊松比以及相应的质量密度参数，还可以约束材料模型。相对于坐标系，它可以任意约束X、Y、Z方向上的转动和移动，可以有效地简化有限元前处理操作的过程。

在Hypermesh中创建材料属性卡片，甘蔗材料选择为MAT3，动刀片材料选择为MAT1，同时将所创建材料属性添加至切割系统模型，甘蔗的材料物理参数如表1所示。

动刀片材料是65Mn，动刀片材料物理参数如表2所示。

2.3 求解设置endprint

一般来说，仿真计算过程时间很短，时间设置越大则计算时间越长。为避免仿真过程中卸载，载荷时间设置应大于求解时间，设置计算时间Termin为0.035s。在完成有限元模型前處理后，输出一个K文件并利用LS-DYNA进行求解，调用LS-PREPOST进行仿真结果后处理，并对其进行分析[5]。

3 ANSYS/LS-DYNA仿真结果分析

3.1 割刀在切割过程中等效应力分布

图3为甘蔗切割过程中割刀的等效应力云图，从应力云图分布可以看出，图（a）为切割初始状态，动刀片在0.005s时刚进入甘蔗茎秆，甘蔗茎秆受到动刀片的压迫作用，在甘蔗与动刀片接触区域产生压力，动刀片在刀尖处的应力达到最大值，应力最大值为209.3MPa。图（b）为甘蔗切割状态，时间是0.015s，此时割刀最大应力为232.5MPa。图（c）为甘蔗切割在0.025s时对应的等效应力，应力达到最大值298.5MPa。图（d）为甘蔗茎秆被切断时刻割刀的应力云图，此时甘蔗即将被切断。在甘蔗切割过程中，动刀片最大Von Miss应力约为298.5MPa，小于割刀材料的屈服强度430MPa，远大于甘蔗材料的强度[6]。

3.2 甘蔗切割过程等效应力分布

通过仿真分析，可以得出甘蔗茎秆在切割过程中应力分布情况，即等效应力云图。在甘蔗切割过程中，切割初始状态的等效应力云图，割刀在0.003s开始进入甘蔗茎秆，此时割刀刚与甘蔗接触，产生一定的冲击力，等效应力最大值为0.822MPa。割刀切割甘蔗至一半时的等效应力云图，割刀具有一定速度，此时等效应力达到最大值10.35MPa。甘蔗茎秆在0.019s即将被切断时的等效应力云图，最大等效应力为9.911MPa。甘蔗茎秆被切断时的等效应力云图，对应时间为0.028s，此时最大应力为8.103MPa。

3.3 切割力曲线

图4为甘蔗切割过程中切割力曲线图[6]，由图可知，在0.012s时刻，切割力达到最大值224N。在整个切割过程中，切割力在切割到甘蔗一半位置时达到最大值，继续切割，切割力又从最大值减小到0。由此得出切割力随切入深度变化的规律为：从开始切割到切入甘蔗半径位置时，切割力从零增大到最大值，从切入甘蔗半径位置到完全切断甘蔗时，切割力又从最大值减小到零。

3.4 能量变化

在甘蔗切割过程中，各种能量与时间的关系如图5所示，动刀片的内能由开始切割时的0J增加到284J，其整体动能是不变的，每条曲线的变化趋势很平缓，说明动刀片的刚度分布很合理，满足设计强度要求。通过对沙漏能曲线进行分析，可知在甘蔗切割仿真过程中，沙漏能很小[7]，满足设计精度要求。

4 结束语

本文通过对往复式甘蔗切割器切割甘蔗的过程进行的有限元建模与分析，得到了仿真的结果，较直观地反映出甘蔗切割器切割甘蔗的过程；并对数据进行分析处理得到该设计的合理性，并为接下来甘蔗切割器结构优化提供了良好的参考依据。

参考文献：

[1]邓军，蔡晓琳，付思明，等.中国蔗糖产业布局及发展对策[J].甘蔗糖业，2011（01）：57-60.

[2]Zhi Hui Wei，Si Tong Lu，Zhen Gang Li.SUV Frame Modal Analysis Based on HyperMesh. Advanced Materials Research，2015，3716（1079）.

[3]李鹏.甘蔗收割机切割装置的虚拟设计[D].河南：河南科技大学，2013.

[4]宋融融.小型甘蔗收获机台架物流仿真及动态分析与设计[D].广西：广西大学，2006.

[5]张正中，梁式，吕焕培，等.基于ANSYS/LS-DYNA的甘蔗切割动力学仿真分析[J].农机化研究，2010（01）：64-67，77.

[6]李建平，赵匀，饶秀勤.小型收割机切割机构运动学和动力学分析及惯性力平衡[J].浙江农业大学学报，1997（03）：8-10.

[7]王成，王效岳.虚拟样机技术及ADAMS[J].机械工程与自动化，2004（06）：66-68，75.endprint