柔性条鞭打戈宝麻叶过程的有限元分析
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 _dyna 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 WD -E 精密型微控电子式万能试验机测出叶
片、叶脉、叶梗的弹性模量以及尼龙条的剪切模量,通过多次测试取平均值, 测试次数为每种50
次.
1. 2 建立几何模型与划分网格
根据文献的记载,戈宝麻的叶形为椭圆状披形至矩圆状卵形,叶序为单叶对生,分枝处常互生;成熟
的叶片长约为4cm, 叶宽约为1. 4cm, 叶柄长约为4mm, 叶子厚度为 0. 2mm;叶脉与梗相连;戈宝麻
的梗直立生长, 直径约为2 ~3mm[1 0 - 1 1]. 由图 1 可知,采摘的时候,上下滚筒对戈宝麻进行挤压
作用.对于戈宝麻梗来说,其上部与下部的位移因滚筒的挤压而被约束住.因此,为简化模型,梗的模
型建立则取一段长约为3cm 、直径为2mm 的梁所代替, 如图 2 所示.
柔性条采用长 168mm 、直径 4mm 的圆柱实体.为了使计算简化, 对于叶脉和梗均采用梁单元
beam161.根据前面的模型, 在real 中设置各梁单元直径. 叶片采用壳单元shell163, 在real(实常数)
中设置壳单元的厚度为 0. 2mm. 如图 2 所示,为了使叶片与叶脉能够相互传递应力,在划分网格时
采用同节点划分.
1. 3 建接触定义和加载
柔性条与叶片之间的接触使用接触算法* CON-TACT_AUTOMATIC _ 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.
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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...
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作者：闻远设计
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