基于ANSYS的木薯茎秆静力学仿真研究

薛　忠，张衍林，张　劲，陈　实

(1.华中农业大学 工学院，武汉　430070；2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江　524091)



基于ANSYS的木薯茎秆静力学仿真研究

薛忠1,2，张衍林1，张劲2，陈实2

(1.华中农业大学 工学院，武汉430070；2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江524091)

摘要：以木薯茎秆力学试验为基础，应用计算机仿真手段模拟分析了木薯茎秆在失效极限状态下的力学状况。使用万能试验机对木薯茎秆的主要力学成分(木质部、韧皮纤维)进行拉压试验，分别测定了木质部和韧皮纤维的多组弹性模量数据。研究表明：①韧皮纤维处的XY方向切应力在-0.002 195～-0.000 231Pa范围内，木质部处XY方向切应力在-0.000 231～0.000 014Pa范围内，XY方向最大切应力位于木质部与韧皮纤维交接处为-0.002 195Pa，XY方向最小切应力位于木质部为0.000 14Pa；YZ方向与XZ方向切应力呈现对称性，茎秆在YZ、XZ方向的切应力主要集中在-3.07E-10～-4.58E-11Pa范围内，YZ或XZ方向最大切应力-2.42E-9Pa，YZ或XZ方向最小切应力4.59E-11Pa。②模型横向受压时的XY、YZ、XZ方向切应力值分布呈现各自不同的规律，但都对称分布；XY方向切应力最大值为±1.746 49Pa，最小值为±0.194 054Pa；YZ方向切应力最大值为±0.456 2Pa，最小值为±0.005 063Pa；XZ方向切应力最大值为±0.260 701Pa，最小值为±0.028 967Pa。

关键词：木薯茎秆；ANSYS；有限元；仿真

0引言

木薯是世界三大薯类(木薯、甘薯、马铃薯)之一[1]，是仅次于小麦、水稻、玉米的第四大粮食作物。木薯也是一种用途广泛、经济价值很高的作物，可用于生产淀粉、酒精等的原材料[2-5]。木薯作为一种粮食、经济作物，人们主要利用其块茎，在生产收获中木薯茎秆往往被废弃[6]。其实，木薯茎秆不仅是繁殖材料，还可发酵制取生物质燃料[7-8]，其粉碎物可作为食用菌的培养料[9]，或直接还田增加土壤肥效[10-11]。目前，木薯茎秆的再利用涉及到其切断、粉碎，但木薯茎秆力学的研究还不完善，很难对其茎秆进行高效机械化处理。

植物茎秆力学研究一般是基于传统力学试验，但随着计算机技术的发展，目前通过有限元仿真软件模拟茎秆受力状况进行力学研究也能得到较好的效果。苏工兵应用通用有限元仿真软件ANSYS研究了苎麻茎秆在刮麻机作用下的力学状况[12]；崔英应用通用有限元仿真软件ANSYS研究了甘蔗节对其茎秆力学性能的影响[13]；崔涛等对玉米茎秆在收获机构作用下的茎秆运动状态进行了模拟[14]。

本文主要围绕木薯茎秆的力学性能展开，通过木薯茎秆各组分的力学数据，运用通用有限元仿真软件ANSYS建立木薯茎秆复合材料的力学模型，高效、高可靠性地仿真分析木薯茎秆在失效零界状态下，即从弹性变形进入塑性变形阶段的力学状况，旨在通过仿真分析破除实际试验中时间、空间、资源的局限性。

1木薯茎秆整杆力学试验

1.1材料制备

试验用的木薯为中国热带农业科学院农业机械研究所试验地种植的木薯(华南205)，采样日期为2013年11月6日；茎秆平均长度2 250mm，平均直径29mm，含水率67.3%。木薯茎秆试验材料选取通直、无病虫害的木薯茎秆，并去枝节后进行制备。试样制取区间为离茎秆底部50～150mm的区段，此区段为茎秆砍伐区段，其力学数据较有参考性。

试样外径29mm(±0.5mm)，内径13mm(±0.5mm)，长度40mm(±1mm)，一共制取10根合格试样。制取好的试样如图1所示。

1.2整杆力学试验

试验试样准备完成后，在力学万能试验机下进行轴压试验5组、横压试验5组。试验时，万能试验机进给速度为20mm/min。试验采集的万能试验机的力量位移数据如图2所示。其中，图2(a)为轴向压缩力量位移曲线，图2(b)为横向压缩力量位移曲线。

图1　木薯茎秆试样

图2　木薯茎秆轴向及横向压缩力量位移曲线

根据图2可知：轴压时在4 264N附近开始发生屈服变形，横压时在600N附近开始发生屈服变形。

2木薯茎秆力学建模

2.1茎秆模型简化

木薯属灌木状多年生植物，其茎秆直立，通常能生长至2～5m高，茎秆外延随机分布有许多枝节，枝节间竖直距离从20～60mm不等。木薯茎秆主要由3部分构成，从内向外依次是：海绵体、木质部及韧皮纤维，如图3(a)所示。其中，海绵体组织柔软力学性能较差，木质部和韧皮纤维有较好的力学性能。

图3　木薯茎秆模型

根据木薯茎秆的结构特点，在进行木薯茎秆建模时把木薯茎秆简化为由韧皮纤维和木质部两种成分组成的层合复合结构，模型基本外形为空心圆柱体。图3(b)为木薯茎秆简化模型。

2.2木薯茎秆模型建立

空心圆柱的木薯茎秆模型具有轴对称性，因此对木薯茎秆模型采用剖分处理。针对轴向压缩仿真使用1/4的空心圆柱进行建模操作及仿真分析，针对横向压缩仿真使用1/2模型，这样可大大提高运算效率以及精度。

在建模过程中，需要选择单元类型及材料类型。根据不同的模型和分析要求，选择不同的单元类型。根据本文所研究的木薯茎秆的轴对称性，茎秆纤维的排列均是沿轴向，选择六面体单元沿轴向划分是比较合理的；同时，考虑到材料类型及木薯茎秆要进行的仿真分析等因素，决定选择三维实体单元SOLID186。

木薯茎秆的木质部和韧皮纤维是属于横观各项同性材料，但在使用ANSYS进行建模操作时为配合软件操作规程，选用正交各向异性材料对木薯茎秆进行建模。由于正交各向异性材料共有9个独立的弹性系数，输入材料参数时要注意各向同性面所影响的相关参数取值相同。木质部和韧皮纤维材料参数如表1所示。

建模时，使用ANSYS主菜单Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→Partial Cylinder命令，在弹出的Partial Cylinder对话框中设置参数分别建立木薯茎秆的木质部和韧皮纤维模型。

由前文所述木薯茎秆模型简化为由木质部和韧皮纤维复合而成的层合复合结构，根据复合材料变形的连续性，在建立木薯茎秆模型时要对模型中的木质部和韧皮纤维使用Glue命令，即粘结运算。

表1　木质部和韧皮纤维材料参数表

2.3网格划分

选用映射网格划分方式为木薯茎秆模型划分网格。先使用Quad四边形划分方式划分地面，再通过扫掠选项划分整个柱体。

对于1/4的轴向压缩模型，木质部单元边界长度设置为0.001，即1mm；韧皮纤维单元边界长度设置为0.000 4，即0.4mm。划分完毕的1/4模型如图4(a)所示，其节点数为31 641，单元数为6 840。

对于1/2的横向压缩模型，考虑到单元数量、节点数量和计算强度，在模型韧皮纤维划分网格的单元边界长度设置从0.000 4(1/4模型时使用的尺寸)更改为0.000 6，即0.6mm。划分完毕的1/2模型如图4(b)所示，其节点数为38 139，单元数为8 208。

图4　划分后的模型

3静力学仿真分析

模拟木薯茎秆在力学万能试验机上受轴向压缩和横向压缩的情况，观察木薯茎秆在失效临界状态下，即从弹性变形进入塑性变形阶段的位移、应力、切应力情况。图5(a)、图5(b)所示为木薯茎秆在力学万能试验机上的轴向受压示意图。

1.动平台　2.木薯茎秆　3.静平台

3.1约束及加载

由于对木薯茎秆模型采用剖分处理的关系，加载前需对模型设置额外的约束条件。根据对称性的相关知识可知：木薯茎秆轴向或横向受压后在其轴向对称面上点的法向位移始终为零，其他方向位移不受限制，则在其剖切面上需要添加自由度约束，限制其法向位移。

对于1/4模型的轴向受压，根据木薯茎秆的轴向压缩试验，40mm长度的木薯茎秆截取段在力学万能试验机下进行轴向压缩时发生失效，即超出弹性变形的压力平均为4 264N。因此，对于木薯茎秆1/4模型，给一端加载1/4×4264N =1066N的均布载荷；一端添加自由度约束，限制其轴向位移，模拟茎秆轴向受压，如图6(a)所示。

对于1/2模型的横向受压，给予模型上对应木薯茎秆与动平台的接触边线位置加载1/2×600N =300N的均布载荷，给予模型上对应木薯茎秆与静平台的接触边线位置施加自由度约束，限制其径向位移，模拟茎秆横向受压，如图6(b)所示。

图6　模型加载图

3.2结果及分析

在完成约束及加载以后，可直接运行Main Menu→Solution→Solve→Current LS进行求解操作；然后，执行后处理Main Menu→Plot Restults→Contour Plot→Nodal Solu可显示关于节点的等效云图。

图7分别为1/4木薯茎秆模型轴向受压失效极限状态下的位移云图、应力云图、XY方向切应力云图、YZ方向切应力云图和XZ方向切应力云图。云图用多种颜色按大小进行了分层。由图7可知：位移大小在0.087 2～1.546mm范围内，最大位移发生在茎秆与动平台接触面；应力大小在0.469 754～9.6MPa范围内，最大应力位于木薯茎秆木质部；XY方向切应力在-2.195E-3～1.4E-5Pa范围内，XY方向最大切应力位于韧皮纤维处为-2.195E-3Pa，XY方向最小切应力位于木质部；YZ(XZ)方向切应力在-2.42E-9～7.51E-10范围内，YZ(XZ)方向最大及最小切应力都位于木质部内侧。

图8分别为1/2木薯茎秆模型横向受压失效极限极限状态下的位移云图、应力云图、XY方向切应力云图、YZ方向切应力云图和XZ方向切应力云图。由图8可知：位移大小在0.003 8～7.629mm范围内，最大位移发生在茎秆与动平台接触面；应力大小在0.002 3469～7.64MPa范围内，最大应力位于木薯茎秆木质部于韧皮纤维粘结面；XY方向切应力的大小在-1.746 49～1.746 49MPa范围内；YZ方向切应力的大小在-0.045 634～0.045 62Pa范围内，最大切应力和最小切应力都位于韧皮纤维外侧；XZ方向切应力的大小在-0.260 701～0.260 701Pa范围内，最大切应力位于木质部与韧皮纤维粘结面。

图7　轴向压缩节点等效云图

图8　横向压缩节点等效云图

4结论与讨论

1)通过力学万能试验机下的木薯茎秆压缩试验，确定了木薯茎秆在轴向和横向压缩下的失效极限。

2)基于木薯茎秆轴向、横向失效极限数据，以及木薯茎秆木质部、韧皮纤维的力学数据，应用ANSYS仿真分析了木薯茎秆在压缩失效极限状态下的位移、应力及切应力情况。

基于ANSYS的力学仿真是建立在基础数据基础上的，基础数据的准确性会影响仿真研究的结果，同时计算机的运算性能也会限制结果的准确性。今后，随着基础数据的准确性和计算机运算性能的提升，会使仿真研究的结果更加趋近于真实值。

参考文献：

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Compressive Test and Simulation of Cassava Stems Based on ANSYS

Xue Zhong1,2, Zhang Yanlin1, Zhang Jin2,Chen Shi2

(1.College of Engineering and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Institute of Agricultural Machinery, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

Abstract：In this paper, on the basis of cassava stalk mechanical test, application of computer simulation to simulate and analyze the mechanics of cassava stalk in the failure limit state. During the dissertation, analysed composite structure of cassava stalk, gave the relationship of various types of material between the flexible matrix and the engineering constants, and assumed material types of cassava stalk.Result show:(1)The shear stress of the XY direction on phloem fiber is in the range of -0.002 195～-0.000 231Pa,the shear stress of the XY direction on xylem is in the range of -0.000 231～0.000 014Pa, the maximum shear stress of the XY direction is at the junction of the xylem and phloem fiber which value is -0.002 195Pa, the minimum shear stress of the XY direction is on the xylem which value is 0.000 14Pa; shear stress of YZ direction and XZ direction has the symmetry, the shear stress of stalk at direction of YZ and XZ are concentrated on -3.07E-10～-4.58E-11Pa，the maximum shear stress of YZ or XZ direction is -2.42E-9Pa，the minimum shear stress of YZ or XZ direction is 4.59E-11Pa.(2) The shear stress of XY、YZ、XZ direction present their different laws when pressure model on the lateral, but they all distribute symmetrically. The maximum shear stress of the XY direction is ±1.746 49Pa,the minimum shear stress is±0.194 054Pa; the maximum shear stress of the YZ direction is ±0.456 2Pa, the minimum shear stress is ±0.005 063Pa, the maximum shear stress of the XZ direction is ±0.260 701Pa, the minimum shear stress is ±0.028 967Pa.

Key words：cassava stalk; ANSYS; finite element; simulation

文章编号：1003-188X(2016)06-0116-06

中图分类号：S183

文献标识码：A

作者简介：薛忠(1980-)，男，山西山阴人，助理研究员，博士研究生，(E-mail)xxyyxz006@163.com。通讯作者：张衍林(1957-)，男，武汉人，教授，博士生导师，( E-mail)zhangyl@mail.hzau.edu.cn。

基金项目：广东省自然科学基金-粤东西北创新人才联合培养项目(2014A030307034)；公益性行业(农业)科研专项(201203072)；海南省自然科学基金项目(513149)

收稿日期：2015-05-27