基于ANSYS的工业大麻茎秆切割的有限元分析

周 杨，李显旺，沈 成，田昆鹏，张 彬，黄继承

(农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014)



基于ANSYS的工业大麻茎秆切割的有限元分析

周 杨，李显旺，沈 成，田昆鹏，张 彬，黄继承

(农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014)

工业大麻切割部件是收割过程中关键的部件，为了改善工业大麻茎秆切割器切割的质量及提高刀片的使用寿命。通过分析往复式切割部件的工作特性，结合工业大麻收割的条件要求，确定了切割部件的尺寸参数。同时，利用三维实体建模软件 Creo 建立切割部件模型，导入有限元分析软件 ANSYS 中进行显示动力学分析，对切断过程进行仿真分析，为工业大麻切割部件结构参数的优化设计提供了依据。

工业大麻；有限元分析；切割器

0 引言

对工业大麻切割过程进行显示动力学(Explicit Dynamics)有限元分析，旨在采用先进的计算机技术动态模拟仿真割刀切割工业大麻茎秆的实际情况，了解工业大麻茎秆的破坏形式及破坏规律，验证割刀结构参数设计的正确性，并为割刀的优化设计提供参考。

1 有限元及ANSYS软件简介

有限元法(Finite Element Method，FEM)是一种伴随计算机的发展而兴起的一种新型计算方法，属于计算机辅助工程的范畴，早期只适用于连续体力学，随着计算机技术的高速发展，其适用范围开始变广，逐渐应用到电磁场、热传导及流体力学等领域。有限元法的主要作用包括两方面：一是巩固理论基础；二是精确地进行效力数据分析。在计算机技术高速发展的21世纪，有限元法的应用越来越广阔，并在科学技术发展的领域中扮演着重要的角色。

有限元法的主题思想是：积零为整，化整为零。其具体含义是：把一个连续求解的函数化成一组个数有限的单元组成的整体，且整体中每个单元都存在一定的联系并按一定顺序进行排列；转化后单元只能通过节点相联系，并且之后的计算也要通过结点来进行[1-3]。因为转换后的单元可以按照不同方式进行连接与组合，且自身的形态又各不相同，因此能把复杂的问题简单化，进行复杂形体精确的计算，并具有超强的适应性，所以得到了大部分科学技术人员的广泛的认同。随着计算仿真技术的高速发展，有限元分析方法适用的行业领域也越来越多，可以解决的问题也越来越广。

ANSYS Workbench是ANSYS公司为用户提供的一个界面友好的工作平台，其集成和融合了ANSYS软件全部系列产品，友好、易操作的界面使仿真分析工作更加得心应手，大大提高了仿真效率[4-6]。本节主要是利用ANSYS Workbench工作平台对割刀切割工业大麻茎秆的动态过程进行显示动力学仿真分析。ANSYS是大型有限元分析软件，包括：流体、磁场、电场、声场及熔结构等方面，在核工业、航天航空、机械电子、石油化工、土木工程及军工业等方面运用广阔，已成为当今世界最大的有限分析软件。近30年来， ANSYS企业专注于有限软件的研究开发工作，并不断吸收世界领先计算机技术和计算方法并加以改进，使其成为当今世界有限元界的领导企业，并得到了全世界的认同。

2 ANSYS分析理论基础

在弹性体中，节点载荷与节点位移、节点速度及节点加速度有关，动力学通用运动方程[7-10]为

(1)

式中M—结构质量矩阵；

C—结构阻尼矩阵；

K—结构刚度矩阵；

x—节点位置矢量；

F—载荷函数；

t—时间。

不计惯性与阻尼，且忽略与时间的关键项，假设是线弹性材料行为使用小变形理论方程为

(2)

3 有限元模型的建立及仿真结果分析

3.1 导入几何体

计算机中建模常用的方法有三维模型线框、表面模型和实体模型3种。线框模型不能完全反映物体的全部信息；表面模型是用面的集合来反映物体特征信息，表面模型只能够反映物体的外表面轮廓信息；实体模型能完整地反映出物体所具有的所有实体信息，是目前采用的最多的建模方法，因此工业大麻切割过程采用实体建模的方法。

由于割刀结构较复杂，不易在ANSYS Workbench仿真平台建模，本文采用在三维建模软件Creo中建立割刀和工业大麻茎秆的三维几何模型，并导入ANSYS Workbench软件中。割刀和工业大麻茎秆的三维几何模型如图1所示，采用锯齿形长刀双刀片切割工业大麻茎秆。工业大麻茎秆的韧皮部和木质部直径尺寸取测得的平均值，工业大麻茎秆平均外径D为21.18mm，平均内径d为10.53mm，韧皮部平均厚度h=0.57mm。

图1 割刀和工业大麻茎秆的三维几何模型

3.2 添加材料属性

材料模型的选取关系着计算能否顺利进行，直接影响着结果的合理性与可靠性。因此，材料的合理选择是模拟是否成功的重要条件。可用的材料模型主要包括：线弹性模型、非线性弹性模型、非线性无弹性模型、压力相关塑性模型、泡沫模型、离散单元模型和刚性模型等。

在ANSYS Workbench中的Engineering Data工具箱中提供了大量的材料属性，根据工业大麻茎秆的材料的本构关系，工业大麻茎秆木质部和韧皮部都属于正交各向异性弹性材料(Elastic Orthotropic)。根据工业大麻茎秆材料所具有的特性，将工业大麻茎秆各项材料特性参数分别添加至工具箱材料库，其材料特性参数如图2所示。

(a) 韧皮部特性参数

(b) 木质部特性参数

3.3 定义接触类型

ANSYS中有50多种可以用来选择的接触分析的方法，可以柔体对柔体、柔体对刚体、刚体对刚体等接触的问题进行分析，可以用来分析接触表面的固连失效、静动力摩擦及流体与固体之间的界面等综合问题的分析。

接触算法是程序用来处理接触面的方法，在显示动力学LS-DYNA分析中有单面接触、点面接触和面面接触3种不同的接触面处理算法。单面接触在一个物体的外表面与自身接触或与另一个物体外表面接触时使用。点面接触是非对称的，所以也是计算速度最快的接触算法，其只考虑冲击目标面的节点。面面接触是当一个物体的面穿透另一个物体的面时使用的接触算法，是完全对称的，因此接触面与目标面的选择可以是任意的。

由于工业大麻韧皮部和木质部之间存在着生物粘着力，仿真分析时需在两者之间的接触面添加一定的摩擦力，根据相关文献提供的摩擦因数，在分析中设定韧皮部和木质部之间的静摩擦因数为0.4，其余接触面采用无摩擦接触[11]。

3.4 网格划分

割刀与工业大麻茎秆几何模型导入之后，需要对其进行网格划分以便生成包含节点和单元的有限元模型。网格划分的目的是对结构模型实现离散化，把求解域分解成可能得到精确解的适当数量的单元[12]。由于本文有限元分析主要考察工业大麻茎秆被割刀切断破坏情况，刀片材料为合金钢，相对工业大麻茎秆具有较高的硬度及强度，将割刀定义为刚形体，工业大麻木质部和韧皮部定义为柔性体。

由于本文有限元分析主要考察工业大麻茎秆被割刀切断破坏情况，刀片材料为合金钢，相对工业大麻茎秆具有较高的硬度及强度，将割刀定义为刚形体，苎麻木质部和韧皮部定义为柔性体。为节省计算时间，可适当粗化割刀模型网格尺寸。网格划分后苎麻木质部有限元模型节点总数为2 828个，单元1 400个；韧皮部有限元模型节点数为6 969个，单元3 800个；单个割刀节点总数为1 391个，单元3 511个。网格划分效果如图3所示。

3.5 施加载荷和约束

ANSYS/LS-DYNA区分零约束和非零约束，对于非零约束应当按施加约束的条件来进行处理，也就是说施加约束的约束值不能随时间的变化而变化。约束可以用来固定模型中的某些部分。

为仿真实际切割情况，根据收割机割刀切割速度范围，定义两割刀相对切割运动速度都为1m/s。由于工业大麻收割时根部固定在大地上，需对工业大麻茎秆底部施加固定约束，方法是将模型中受载的部分定义成组件，并定义各个时间间隔及对应载荷的数值参数指标，再将载荷施加到结构模型特定受载的部分上，使其自由运动受到约束的限制。

图3 网格划分效果图

3.6 求解分析

通过求解可得工业大麻茎秆切割破坏应力和应变云图，如图4和图5所示。

由图4可知：割刀切割工业大麻时，工业大麻茎秆受到的最大应力为3.178 6MPa。其中，工业大麻根部和割断处上部也受到一定应力作用，但不会对工业大麻茎秆割断面周边造成材料的破坏。

由图5可知：工业大麻茎秆切割时只在割断处产生较大的应变量，其它部位基本无应变，表明割刀切割时能很好地保证工业大麻茎秆的直立度。

图4 应力分析云图

图5 应变分析云图

由工业大麻茎秆动态割断效果可知：割刀可一次性将麻秆割断，割茬处茎秆断裂较平齐，无扯皮及工业大麻茎秆破裂现象，切割效果较好。

图6为求解的茎秆最大应力-时间的曲线图。图6中显示了明显的3个分区，分别代表切割试验时的3种情况下的曲线：挤压阶段、切入阶段和切割完毕3个阶段。这与实际的切割试验相符，很好地反映了切割试验过程中的3个切割阶段。

挤压阶段由于挤压作用导致切割力波动较大，切入阶段和切割完毕两个阶段力的变化比较稳定，并未发生较大波动。

图6 茎秆最大应力-时间的曲线图

4 结论

进行了工业大麻茎秆切割试验的分析， 获得不同切割刀片和切割状态下的工业大麻的最大切割力和工业大麻茎秆的切割功耗。以最大切割驱动力和切割功耗最大的切割组合，锯齿刃长刀片与双刀片切割工业大麻茎秆为模型，利用ANSYS进行有限与分析是为了改善工业大麻茎秆切割器切割的质量及提高刀片的使用寿命。为此，通过分析往复式切割部件的工作特性，结合工业大麻收割要求，确定了切割部件的尺寸参数。同时，并利用三维实体建模软件Creo建立切割部件模型，导入有限元分析软件ANSYS 中进行显示动力学分析，对切断过程进行仿真分析，为工业大麻切割部件结构参数的提供了优化设计的依据。

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Research of Industrial Hemp Mechanization Harvester Technology

Zhou Yang, Li Xianwang, Shen Cheng, Tian Kunpeng, Zhang Bin, Huang Jicheng

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Industrial hemp cutting parts are key components in the process of harvest. In order to improve the cutting quality of industrial hemp stem and prolong the life of blade, we analyze the operating characteristics of reciprocating cutting parts with ANSYS simulation software. By determining industrial hemp harvest requirements, we build 3D mold with CREO software. The mold is imported in the finite element analysis software ANSYS with dynamic analysis. For optimizing the design of the structural parameters of industrial hemp cutting blade, the simulation analysis was carried out during the cutting process. The analysis showed that larger strain capacity was produced only in the cut with other parts basically no strain when cutting hemp stalks, thus its vertical degree can be guaranteed and that the cutter can cut off hemp stalks one-time and the cutting effect was good enough, leaving no rips or openings on stalks.

industrial hemp; finite element analysis; cutter

2016-04-14

国家农业产业技术体系岗位任务(CARS-19-E22);中国农业科学院科技创新工程项目(2016-2020)

周 杨(1990-)，男，辽宁丹东人，硕士研究生，(E-mail)zhouyang901025@hotmail.com。

李显旺(1961-)，男，湖北汉川人，研究员，(E-mail)xw3871@163.com。

S225.91+3

A

1003-188X(2017)05-0042-04