基于ANSYS/LS-DYNA旋耕刀具的土壤切削數(shù)值模擬

□郭　曦唐　亮曾祥平蔣立茂/.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院　.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站

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基于ANSYS/LS-DYNA旋耕刀具的土壤切削數(shù)值模擬

□郭曦1唐亮1曾祥平1蔣立茂2/1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站

四川農(nóng)田具有西南丘陵地區(qū)典型的地塊小、坡度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度相對(duì)較低，一部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)只能靠人力和畜力來(lái)完成，生產(chǎn)效率低，因此，適宜四川使用的是微小型農(nóng)機(jī)具。本文研究基于采用微型耕作機(jī)結(jié)構(gòu)的多功能耕作起壟機(jī)，由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，經(jīng)離合器、變速箱、兩級(jí)圓錐齒輪減速，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，在主軸上安裝旋耕刀，在機(jī)座后部安裝起壟器和開溝器，實(shí)現(xiàn)旋耕、開溝、起壟等功能，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部件緊湊和能耗較小的特點(diǎn)。

本文運(yùn)用Creo Parametric 2.0對(duì)多功能耕作起壟機(jī)旋耕刀具進(jìn)行有限元建模，并通過ANSYS/LS-DYNA對(duì)旋耕刀具切削土壤進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，探討了旋耕起壟復(fù)合刀具的切削過程，分析了旋耕刀具的力學(xué)特性及切削土壤時(shí)功耗的大小，旨在揭示旋耕刀具切削土壤的工作機(jī)理，為多功能起壟機(jī)的動(dòng)力選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1　有限元建模

1.1刀具的實(shí)體建模

旋耕刀具是起壟機(jī)的關(guān)鍵部件，根據(jù)實(shí)際的工況要求，設(shè)計(jì)采用起壟送土圓盤曲面刀，同時(shí)在圓盤曲面刀之間增加旋耕碎土刀，圓盤曲面刀刀盤與旋耕刀搭配組裝，按螺旋排列，選取螺旋角為10°。多功能耕作起壟機(jī)工作時(shí)，刀具一方面繞刀軸旋轉(zhuǎn)，另一方面隨著多功能耕作起壟機(jī)前進(jìn)，因此，刀具的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是刀具繞刀軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和多功能耕作起壟機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線。以刀軸旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，x軸正向和多功能耕作起壟機(jī)前進(jìn)方向一致，y軸正向垂直向下。設(shè)多功能耕作起壟機(jī)前進(jìn)速度為Vm，刀軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω，開始時(shí)刀片端點(diǎn)位于前方水平位置與x軸正向重合，則刀具端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為：上式中：

R-刀具端點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑；

t-時(shí)間。

將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，可求得刀片端點(diǎn)在x軸和y軸方向的分速度：

刀片端點(diǎn)絕對(duì)速度的大小為：

旋耕刀具由刀具葉片和實(shí)心圓柱軸組成，而刀具葉片為空間復(fù)雜的三維實(shí)體，在ANSYS中直接建模難度較大，因此，采用在Creo Parametric中建立實(shí)體旋耕葉片和實(shí)心軸，再利用裝配的方法建立螺旋旋耕刀具的三維實(shí)體模型（圖1）。工作狀態(tài)下，動(dòng)力傳輸給實(shí)心圓柱軸，使其帶動(dòng)旋耕葉片做旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，切削土壤。

1.2刀具的有限元模型

通過ANSYS與Creo Parametric的無(wú)縫連接，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件。將旋耕刀具的單元定義為L(zhǎng)S-DYNA Explicit單元中的SHELL163，為了減小沙漏能，采用全積分的殼單元算法?？紤]到應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，材料采用線性各向同性，定義材料的彈性模量為2.1×1011Pa，密度為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，利用掃掠的方式來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖 1　旋耕刀具的三維實(shí)體模型

1.3土壤的有限元模型

根據(jù)螺旋刀具對(duì)土壤的切削方式，建立的土壤模型為0.4 m×0.3 m×0.3 m的矩形體，在ANSYS前處理器中，定義土壤單元為L(zhǎng)S-DYNA Explicit單元中的SOLID164，為減小沙漏能，采用全積分算法，利用掃掠的方式來(lái)劃分網(wǎng)格。

1.4刀具切削土壤的簡(jiǎn)化和假設(shè)

由于切削過程的復(fù)雜性，伴隨著應(yīng)力、應(yīng)變的急劇變化，包括彈、塑性和斷裂的變形，因此，為準(zhǔn)確反映切削的過程，假設(shè)如下。

1）旋耕葉片和實(shí)心圓柱軸簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，且二者均為各向同性的線性彈性材料；

2）如果讓旋耕葉片同時(shí)做水平和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則旋耕起壟葉片將做復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)。在有限元中，如果想在彈性體上同時(shí)加載兩種運(yùn)動(dòng)，是比較困難的，因此，本文將模型簡(jiǎn)化為螺旋刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和土壤做水平運(yùn)動(dòng)；

3）考慮切削過程中，距離切削面較遠(yuǎn)的土壤不受到任何擾動(dòng)；

4）根據(jù)土壤材料模型發(fā)展的現(xiàn)狀和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的水平，在數(shù)值模擬中，只考慮對(duì)土壤切削的過程，不考慮開溝時(shí)土壤的升運(yùn)過程。

1.5施加邊界條件和載荷

利用LS-DYNA對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。在仿真分析中，旋耕刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，土壤向旋耕葉片做直線運(yùn)動(dòng)，兩者接觸后，旋耕葉片不斷的銑削土壤。本文主要研究在一定的工況下，旋耕刀體對(duì)土壤的切削過程及完成一個(gè)切削量的作業(yè)時(shí)間，整個(gè)切削模型最大的功耗以及旋耕葉片應(yīng)力等的變化，為旋耕刀具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。在切削過程中，添加邊界條件為旋耕起壟刀具添加x、y、z向的約束以及約束繞x、y軸的旋轉(zhuǎn)，添加繞z軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力載荷，旋轉(zhuǎn)速度為3 600 r/min；土壤添加x、z方向的位移約束，并且以0.18 m/s的初速度勻速位移。本文主要進(jìn)行了螺旋刀具對(duì)土壤切削破壞過程的分析，因此將刀具定義為接觸Part，土壤定義為目標(biāo)Part。添加刀具與土壤之間的面面侵蝕接觸，此接觸能夠保證土壤表面單元在切削失效的情況下程序自動(dòng)定義新的接觸面。

2　求解與分析

設(shè)置求解時(shí)間為0.2 s，在ANSYS前處理器輸出模型關(guān)鍵字文件，修改和添加材料、載荷等參數(shù)后，如土壤材料模型和載荷等信息，將關(guān)鍵字文件遞交LS-DYNA程序求解，最后通過后處理程序LS-PREPOST打開結(jié)果文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1切削過程分析

在旋耕刀具對(duì)土壤的切削過程中，刀具葉片的外緣先接觸土壤，土壤受到刀具葉片的擠壓和剪切作用而發(fā)生破壞和變形。隨著旋耕刀具的旋轉(zhuǎn)以及土壤的不斷進(jìn)給，土壤被破壞的面積以及進(jìn)給方向的深度逐漸增大，被破壞土壤的邊界線形狀和旋耕刀具的葉片外端形狀相似，從而實(shí)現(xiàn)了螺旋葉片對(duì)土壤的連續(xù)切削。

2.2能耗分析

在切削過程中，總的能耗包括維持旋耕刀具葉片的旋轉(zhuǎn)和土壤模型的直線位移所需的動(dòng)能以及兩者相互作用的內(nèi)能，其中，動(dòng)能基本保持不變，而總的切削能耗隨著內(nèi)能的不斷增加而增大，總能耗隨時(shí)間變化而變化的曲線見圖2。

由圖2可知，在切削過程的初始階段，總切削能耗的變化是最強(qiáng)烈的，但是隨著切削過程的進(jìn)行，總切削能耗的變化逐漸趨于平緩，出現(xiàn)這種情況的主要原因是土壤顆粒被外力破壞后土壤內(nèi)聚力減小，而旋耕起壟刀具的葉片還未接觸到新的土壤層，總切削能耗的變化放緩。將總的切削能耗對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到切削功率，如圖3所示。土壤單元失效后，旋耕刀具未能接觸到新的土壤單元，會(huì)出現(xiàn)切削功率的波動(dòng)。由圖3可得，最大的切削功率約為6 kW，與實(shí)際的額定功率基本相符。

圖 2　總能耗分析

圖 3　功率分析

3　討論

本文利用ANSYS建立旋耕刀具和土壤的有限元模型，運(yùn)用 ANSYS/ LS-DYNA顯式動(dòng)力分析程序?qū)π饓艔?fù)合刀具切削土壤過程進(jìn)行了求解計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，將所構(gòu)建的旋耕起壟復(fù)合刀具切削土壤的有限元模型應(yīng)用于多功能起壟機(jī)與土壤之間相互作用研究是可行的?；贏NSYS/LS-DYNA構(gòu)建的旋耕起壟復(fù)合刀具切削土壤的三維動(dòng)力學(xué)仿真，能有效地揭示螺旋刀具切削土壤的工作過程；證明了多功能耕作起壟機(jī)工作時(shí)，土壤切削和軸向提升、拋撒的狀況，與實(shí)際工作情況吻合。對(duì)開溝、起壟過程中切削能耗的分析計(jì)算得出了最大的切削功率為6 kW，該有限元模型可用于估算切削功耗值，從而用于指導(dǎo)多功能耕作起壟機(jī)的動(dòng)力選型。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，土壤在被旋耕刀具切削時(shí)，主要受到刀具的擠壓和剪切破壞，當(dāng)?shù)毒叩那邢髁_(dá)到土壤的破壞強(qiáng)度時(shí)，刀具的切削力不再增加。刀具的最大切削功率與實(shí)際額定功率相近，可為多功能耕作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。