基于LS-DYNA的玉米芯冲击特性分析

陶 涛,魏新华

(1．扬州工业职业技术学院,江苏 扬州 225127;2．江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室,江苏 镇江 212013)

0 引言

玉米是我国第一大粮食作物,也是世界三大粮食作物之一。脱粒是玉米收获和加工的关键环节之一,玉米脱粒机在我国使用非常广泛[1-2]。目前,我国商品玉米脱粒主要采用钉齿滚筒式玉米脱粒机,其工作时玉米芯经常会被钉齿打断或打碎[3-4]。

在玉米芯破碎成小块之后,上面残存的玉米籽粒将难以脱落,从而导致籽粒夹带损失增大;破碎的玉米芯较多时,会降低清选系统的清选效果,从而导致玉米籽粒净度降低[5]。从这个角度来说,在设计玉米脱粒机时需要考虑控制玉米芯断裂和破碎,以降低籽粒夹带损失,提高玉米籽粒净度,因而对玉米芯力学特性的研究非常重要。现阶段国内外学者对玉米籽粒宏观和微观力学性质都进行了比较深入系统的研究。周海玲[6]等对玉米籽粒果柄的刚度系数、破坏力和破坏位移进行了测试与分析,并考查了加载速度、果穗分段、品种、施力方向的影响,进行了不同含水率下玉米种子籽粒破损强度、果柄强度和脱粒作用力等试验。高连心[7]进行了不同含水率下玉米种子籽粒破损强度、果柄强度和脱粒作用力等试验。赵武云[8]对玉米芯的径向压缩和弯曲力学性质进行了测试与分析,发现径向压缩和弯曲时的破坏力均随含水率的增大而减小,随玉米芯直径的增大而增大。李心平[9]等通过有限元分析方法对玉米种子在静压载作用下不同作用部位的应力分布进行了分析,获得了玉米种子在不同施力部位压载作用下的微观力学性质。但是,国内外对玉米芯力学性质的研究还比较少,因此对玉米芯力学性质进行研究不仅具有现实意义,还具有一定的创新性。

现有针对玉米脱粒过程的研究大都采用经验方法、试验方法及统计分析方法。试验方法和统计分析方法费时费力,所得结果一般也不具有普遍意义,还不能洞察玉米脱粒过程的物理机理[10]。本文采用LS-DYNA对玉米芯在径向压缩、轴向压缩、径向剪切和弯曲4种施力情况下进行有限元分析,为研制高性能玉米脱粒机、玉米芯加工处理设备及选择合理的玉米芯破碎方式等提供参考依据和相关参数。

1 玉米芯冲击理论

LS-DYNA一般采用瞬态动力学分析冲击问题,求解器以显示为主[11],最终获得冲击载荷作用下玉米芯节点位移、网格单元应力、节点速度及加速度随时间变化等计算结果,其具体流程如图1所示。

玉米芯在进行冲击时受到冲击力的大小及其变化过程可以作为评价玉米芯刚度的重要参考指标。本文通过 Hypermesh/LS-DYNA建立合适的玉米芯模型进行仿真,计算出玉米芯在形变过程中冲击力的变化过程,为研制高性能玉米脱粒机、玉米芯加工处理设备及选择合理的玉米芯破碎方式等提供参考依据和相关参数。玉米芯受径向压缩、轴向压缩、剪切和弯曲仿真的原理如图2所示。

图1 LS-DYNA计算流程图

2 玉米芯数值建模

以LS-DYNA作为求解器,Hypermesh作为前处理软件,Hyperview作为后处理软件。

2.1 建立玉米芯模型

玉米芯是指玉米果穗脱去籽粒后所剩的果穗轴,又称玉米穗轴、棒子骨等。玉米芯的组织结构从内到外主要由三分段组成:芯髓、木质环形体和膜片[12]。为简化计算,将玉米芯建立为一个整体,以结构全为木质环形体建模。根据文献[13],将玉米分为3段(小端、中段、尾端),先锋8号玉米芯的相关参数如图3所示。根据上述参数建立玉米芯的3段实体模型,如图4所示。

图2 玉米芯仿真的原理示意图

图3玉米芯结构图

图4 玉米芯三维模型

以玉米芯3段各截取20cm长度作为研究对象,参照图2建立玉米芯4种受力方式下仿真模型,在Hypermesh中对玉米芯进行三维实体网格划分,网格单元数729,节点数223;材料属性材料密度设为0.355g/cm3,泊松比设为0.35,弹性模量为54.573MPa。对玉米芯挤压件为刚体选择材料为MAT20,刚性材料,设玉米支撑件为地面设置为MAT20材料,刚性墙。玉米芯4种方式下受力仿真模型如图5所示。

2.2 边界条件设置

对于玉米芯受径向压缩和轴向压缩,利用LS-DYNA关键字设置玉米芯与挤压刚体、玉米芯与刚性墙surface to surface接触;对于全部Part,设置零件自接触Single surface、刚性墙为6自由度全约束;对于玉米芯受剪切和弯曲,设置相应6自由度全约束,玉米芯与挤压刚体surface to surface接触。挤压刚体利用关键字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION-RIGID给定强制位移5mm/min。利用控制卡片输出沙漏能、截面力、质量能及接触力等。

图5 玉米芯仿真模型

3 玉米芯仿真模拟结果分析

通过 LS-DYNA 求解器计算处理,最终获得玉米芯不同分段4种受力工况下玉米芯和刚体之间的接触力随时间变化曲线,其接触力的大小真实模拟了微机控制电子式万能试验机的挤压作用过程。玉米芯三分段4种受力方式下受力玉米芯和刚体之间的接触力随时间变化曲线如图6所示。

图6 玉米芯三分段4种受力方式下接触力

由图6发现:玉米芯在4种受力方式下,每种受力对应的玉米芯接触力都是先增大,达到一定值以后下降,最大值即为玉米芯在这种受力方式下的破坏力。进一步观察发现:玉米芯同一分段不同受力方式下其最大破坏力不同;同一受力方式下玉米芯不同分段破坏力大小不同;玉米芯不同分段不同受力方式下其受到最大破坏力对应的时间点不同。

为进一步分析玉米芯不同分段不同受力方式下受到的最大接触力,最大接触力和对应时间的关系如表1所示。

表1 不同工况下玉米芯受到接触力最大值

续表1

玉米芯含水率为13.8%,仿真模型取每分段的中间20cm。

不同分段对玉米芯径向压缩、轴向压缩、剪切和弯曲时最大接触力(破坏力)的影响规律如图7所示。由图7可知:玉米芯不同分段对玉米芯接触力的影响显著。

由图7(a)发现:径向压缩时,最大接触力沿轴向逐渐减小;由图7(b)中发现:轴向压缩时,最大接触力沿轴向先增大后减小,中段最大,小端和尾端相近;由图7(c)发现:玉米芯受剪切力时最大接触力沿轴向逐渐减小;由图7(d)发现:玉米芯受弯曲时两种弯矩的最大接触力均沿玉米芯轴向不同分段逐渐减小,其中同一分段下弯曲8cm的最大接触力约为弯曲16cm的2.2倍。此结果与前试验研究文献相同[12],证明了仿真结果的准确性。

图 7 分段对4种受力方式下玉米芯最大接触力的影响Fig.7 Effect of segmentation on the maximum contact force of corn cob under four loading modes

4 结论

1)采用有限元分析软件Hpyermesh/LS-DYNA对玉米芯不同分段在径向压缩、轴向压缩、剪切和弯曲4种不同受力方式下接触应力进行分析,得到相应数据,相对于传统的试验研究节省大量人力物力成本。

2)结果表明:在4种受力方式下,每种受力对应的玉米芯接触力都是先增大,达到一定值以后下降,玉米芯同一分段不同受力方式下最大破坏力不同;同一受力方式下,玉米芯不同分段破坏力大小不同;玉米芯受弯曲时,同一分段下弯曲8cm的最大接触力约为弯曲16cm的2.2倍。