基于ANSYS的木薯莖稈靜力學(xué)仿真研究

薛　忠，張衍林，張　勁，陳　實

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江　524091)

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基于ANSYS的木薯莖稈靜力學(xué)仿真研究

薛忠1,2，張衍林1，張勁2，陳實2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江524091)

摘要：以木薯莖稈力學(xué)試驗為基礎(chǔ)，應(yīng)用計算機仿真手段模擬分析了木薯莖稈在失效極限狀態(tài)下的力學(xué)狀況。使用萬能試驗機對木薯莖稈的主要力學(xué)成分(木質(zhì)部、韌皮纖維)進行拉壓試驗，分別測定了木質(zhì)部和韌皮纖維的多組彈性模量數(shù)據(jù)。研究表明：①韌皮纖維處的XY方向切應(yīng)力在-0.002 195～-0.000 231Pa范圍內(nèi)，木質(zhì)部處XY方向切應(yīng)力在-0.000 231～0.000 014Pa范圍內(nèi)，XY方向最大切應(yīng)力位于木質(zhì)部與韌皮纖維交接處為-0.002 195Pa，XY方向最小切應(yīng)力位于木質(zhì)部為0.000 14Pa；YZ方向與XZ方向切應(yīng)力呈現(xiàn)對稱性，莖稈在YZ、XZ方向的切應(yīng)力主要集中在-3.07E-10～-4.58E-11Pa范圍內(nèi)，YZ或XZ方向最大切應(yīng)力-2.42E-9Pa，YZ或XZ方向最小切應(yīng)力4.59E-11Pa。②模型橫向受壓時的XY、YZ、XZ方向切應(yīng)力值分布呈現(xiàn)各自不同的規(guī)律，但都對稱分布；XY方向切應(yīng)力最大值為±1.746 49Pa，最小值為±0.194 054Pa；YZ方向切應(yīng)力最大值為±0.456 2Pa，最小值為±0.005 063Pa；XZ方向切應(yīng)力最大值為±0.260 701Pa，最小值為±0.028 967Pa。

關(guān)鍵詞：木薯莖稈；ANSYS；有限元；仿真

0引言

木薯是世界三大薯類(木薯、甘薯、馬鈴薯)之一[1]，是僅次于小麥、水稻、玉米的第四大糧食作物。木薯也是一種用途廣泛、經(jīng)濟價值很高的作物，可用于生產(chǎn)淀粉、酒精等的原材料[2-5]。木薯作為一種糧食、經(jīng)濟作物，人們主要利用其塊莖，在生產(chǎn)收獲中木薯莖稈往往被廢棄[6]。其實，木薯莖稈不僅是繁殖材料，還可發(fā)酵制取生物質(zhì)燃料[7-8]，其粉碎物可作為食用菌的培養(yǎng)料[9]，或直接還田增加土壤肥效[10-11]。目前，木薯莖稈的再利用涉及到其切斷、粉碎，但木薯莖稈力學(xué)的研究還不完善，很難對其莖稈進行高效機械化處理。

植物莖稈力學(xué)研究一般是基于傳統(tǒng)力學(xué)試驗，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，目前通過有限元仿真軟件模擬莖稈受力狀況進行力學(xué)研究也能得到較好的效果。蘇工兵應(yīng)用通用有限元仿真軟件ANSYS研究了苧麻莖稈在刮麻機作用下的力學(xué)狀況[12]；崔英應(yīng)用通用有限元仿真軟件ANSYS研究了甘蔗節(jié)對其莖稈力學(xué)性能的影響[13]；崔濤等對玉米莖稈在收獲機構(gòu)作用下的莖稈運動狀態(tài)進行了模擬[14]。

本文主要圍繞木薯莖稈的力學(xué)性能展開，通過木薯莖稈各組分的力學(xué)數(shù)據(jù)，運用通用有限元仿真軟件ANSYS建立木薯莖稈復(fù)合材料的力學(xué)模型，高效、高可靠性地仿真分析木薯莖稈在失效零界狀態(tài)下，即從彈性變形進入塑性變形階段的力學(xué)狀況，旨在通過仿真分析破除實際試驗中時間、空間、資源的局限性。

1木薯莖稈整桿力學(xué)試驗

1.1材料制備

試驗用的木薯為中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所試驗地種植的木薯(華南205)，采樣日期為2013年11月6日；莖稈平均長度2 250mm，平均直徑29mm，含水率67.3%。木薯莖稈試驗材料選取通直、無病蟲害的木薯莖稈，并去枝節(jié)后進行制備。試樣制取區(qū)間為離莖稈底部50～150mm的區(qū)段，此區(qū)段為莖稈砍伐區(qū)段，其力學(xué)數(shù)據(jù)較有參考性。

試樣外徑29mm(±0.5mm)，內(nèi)徑13mm(±0.5mm)，長度40mm(±1mm)，一共制取10根合格試樣。制取好的試樣如圖1所示。

1.2整桿力學(xué)試驗

試驗試樣準備完成后，在力學(xué)萬能試驗機下進行軸壓試驗5組、橫壓試驗5組。試驗時，萬能試驗機進給速度為20mm/min。試驗采集的萬能試驗機的力量位移數(shù)據(jù)如圖2所示。其中，圖2(a)為軸向壓縮力量位移曲線，圖2(b)為橫向壓縮力量位移曲線。

圖1　木薯莖稈試樣

圖2　木薯莖稈軸向及橫向壓縮力量位移曲線

根據(jù)圖2可知：軸壓時在4 264N附近開始發(fā)生屈服變形，橫壓時在600N附近開始發(fā)生屈服變形。

2木薯莖稈力學(xué)建模

2.1莖稈模型簡化

木薯屬灌木狀多年生植物，其莖稈直立，通常能生長至2～5m高，莖稈外延隨機分布有許多枝節(jié)，枝節(jié)間豎直距離從20～60mm不等。木薯莖稈主要由3部分構(gòu)成，從內(nèi)向外依次是：海綿體、木質(zhì)部及韌皮纖維，如圖3(a)所示。其中，海綿體組織柔軟力學(xué)性能較差，木質(zhì)部和韌皮纖維有較好的力學(xué)性能。

圖3　木薯莖稈模型

根據(jù)木薯莖稈的結(jié)構(gòu)特點，在進行木薯莖稈建模時把木薯莖稈簡化為由韌皮纖維和木質(zhì)部兩種成分組成的層合復(fù)合結(jié)構(gòu)，模型基本外形為空心圓柱體。圖3(b)為木薯莖稈簡化模型。

2.2木薯莖稈模型建立

空心圓柱的木薯莖稈模型具有軸對稱性，因此對木薯莖稈模型采用剖分處理。針對軸向壓縮仿真使用1/4的空心圓柱進行建模操作及仿真分析，針對橫向壓縮仿真使用1/2模型，這樣可大大提高運算效率以及精度。

在建模過程中，需要選擇單元類型及材料類型。根據(jù)不同的模型和分析要求，選擇不同的單元類型。根據(jù)本文所研究的木薯莖稈的軸對稱性，莖稈纖維的排列均是沿軸向，選擇六面體單元沿軸向劃分是比較合理的；同時，考慮到材料類型及木薯莖稈要進行的仿真分析等因素，決定選擇三維實體單元SOLID186。

木薯莖稈的木質(zhì)部和韌皮纖維是屬于橫觀各項同性材料，但在使用ANSYS進行建模操作時為配合軟件操作規(guī)程，選用正交各向異性材料對木薯莖稈進行建模。由于正交各向異性材料共有9個獨立的彈性系數(shù)，輸入材料參數(shù)時要注意各向同性面所影響的相關(guān)參數(shù)取值相同。木質(zhì)部和韌皮纖維材料參數(shù)如表1所示。

建模時，使用ANSYS主菜單Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→Partial Cylinder命令，在彈出的Partial Cylinder對話框中設(shè)置參數(shù)分別建立木薯莖稈的木質(zhì)部和韌皮纖維模型。

由前文所述木薯莖稈模型簡化為由木質(zhì)部和韌皮纖維復(fù)合而成的層合復(fù)合結(jié)構(gòu)，根據(jù)復(fù)合材料變形的連續(xù)性，在建立木薯莖稈模型時要對模型中的木質(zhì)部和韌皮纖維使用Glue命令，即粘結(jié)運算。

表1　木質(zhì)部和韌皮纖維材料參數(shù)表

2.3網(wǎng)格劃分

選用映射網(wǎng)格劃分方式為木薯莖稈模型劃分網(wǎng)格。先使用Quad四邊形劃分方式劃分地面，再通過掃掠選項劃分整個柱體。

對于1/4的軸向壓縮模型，木質(zhì)部單元邊界長度設(shè)置為0.001，即1mm；韌皮纖維單元邊界長度設(shè)置為0.000 4，即0.4mm。劃分完畢的1/4模型如圖4(a)所示，其節(jié)點數(shù)為31 641，單元數(shù)為6 840。

對于1/2的橫向壓縮模型，考慮到單元數(shù)量、節(jié)點數(shù)量和計算強度，在模型韌皮纖維劃分網(wǎng)格的單元邊界長度設(shè)置從0.000 4(1/4模型時使用的尺寸)更改為0.000 6，即0.6mm。劃分完畢的1/2模型如圖4(b)所示，其節(jié)點數(shù)為38 139，單元數(shù)為8 208。

圖4　劃分后的模型

3靜力學(xué)仿真分析

模擬木薯莖稈在力學(xué)萬能試驗機上受軸向壓縮和橫向壓縮的情況，觀察木薯莖稈在失效臨界狀態(tài)下，即從彈性變形進入塑性變形階段的位移、應(yīng)力、切應(yīng)力情況。圖5(a)、圖5(b)所示為木薯莖稈在力學(xué)萬能試驗機上的軸向受壓示意圖。

1.動平臺　2.木薯莖稈　3.靜平臺

3.1約束及加載

由于對木薯莖稈模型采用剖分處理的關(guān)系，加載前需對模型設(shè)置額外的約束條件。根據(jù)對稱性的相關(guān)知識可知：木薯莖稈軸向或橫向受壓后在其軸向?qū)ΨQ面上點的法向位移始終為零，其他方向位移不受限制，則在其剖切面上需要添加自由度約束，限制其法向位移。

對于1/4模型的軸向受壓，根據(jù)木薯莖稈的軸向壓縮試驗，40mm長度的木薯莖稈截取段在力學(xué)萬能試驗機下進行軸向壓縮時發(fā)生失效，即超出彈性變形的壓力平均為4 264N。因此，對于木薯莖稈1/4模型，給一端加載1/4×4264N =1066N的均布載荷；一端添加自由度約束，限制其軸向位移，模擬莖稈軸向受壓，如圖6(a)所示。

對于1/2模型的橫向受壓，給予模型上對應(yīng)木薯莖稈與動平臺的接觸邊線位置加載1/2×600N =300N的均布載荷，給予模型上對應(yīng)木薯莖稈與靜平臺的接觸邊線位置施加自由度約束，限制其徑向位移，模擬莖稈橫向受壓，如圖6(b)所示。

圖6　模型加載圖

3.2結(jié)果及分析

在完成約束及加載以后，可直接運行Main Menu→Solution→Solve→Current LS進行求解操作；然后，執(zhí)行后處理Main Menu→Plot Restults→Contour Plot→Nodal Solu可顯示關(guān)于節(jié)點的等效云圖。

圖7分別為1/4木薯莖稈模型軸向受壓失效極限狀態(tài)下的位移云圖、應(yīng)力云圖、XY方向切應(yīng)力云圖、YZ方向切應(yīng)力云圖和XZ方向切應(yīng)力云圖。云圖用多種顏色按大小進行了分層。由圖7可知：位移大小在0.087 2～1.546mm范圍內(nèi)，最大位移發(fā)生在莖稈與動平臺接觸面；應(yīng)力大小在0.469 754～9.6MPa范圍內(nèi)，最大應(yīng)力位于木薯莖稈木質(zhì)部；XY方向切應(yīng)力在-2.195E-3～1.4E-5Pa范圍內(nèi)，XY方向最大切應(yīng)力位于韌皮纖維處為-2.195E-3Pa，XY方向最小切應(yīng)力位于木質(zhì)部；YZ(XZ)方向切應(yīng)力在-2.42E-9～7.51E-10范圍內(nèi)，YZ(XZ)方向最大及最小切應(yīng)力都位于木質(zhì)部內(nèi)側(cè)。

圖8分別為1/2木薯莖稈模型橫向受壓失效極限極限狀態(tài)下的位移云圖、應(yīng)力云圖、XY方向切應(yīng)力云圖、YZ方向切應(yīng)力云圖和XZ方向切應(yīng)力云圖。由圖8可知：位移大小在0.003 8～7.629mm范圍內(nèi)，最大位移發(fā)生在莖稈與動平臺接觸面；應(yīng)力大小在0.002 3469～7.64MPa范圍內(nèi)，最大應(yīng)力位于木薯莖稈木質(zhì)部于韌皮纖維粘結(jié)面；XY方向切應(yīng)力的大小在-1.746 49～1.746 49MPa范圍內(nèi)；YZ方向切應(yīng)力的大小在-0.045 634～0.045 62Pa范圍內(nèi)，最大切應(yīng)力和最小切應(yīng)力都位于韌皮纖維外側(cè)；XZ方向切應(yīng)力的大小在-0.260 701～0.260 701Pa范圍內(nèi)，最大切應(yīng)力位于木質(zhì)部與韌皮纖維粘結(jié)面。

圖7　軸向壓縮節(jié)點等效云圖

圖8　橫向壓縮節(jié)點等效云圖

4結(jié)論與討論

1)通過力學(xué)萬能試驗機下的木薯莖稈壓縮試驗，確定了木薯莖稈在軸向和橫向壓縮下的失效極限。

2)基于木薯莖稈軸向、橫向失效極限數(shù)據(jù)，以及木薯莖稈木質(zhì)部、韌皮纖維的力學(xué)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANSYS仿真分析了木薯莖稈在壓縮失效極限狀態(tài)下的位移、應(yīng)力及切應(yīng)力情況。

基于ANSYS的力學(xué)仿真是建立在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性會影響仿真研究的結(jié)果，同時計算機的運算性能也會限制結(jié)果的準確性。今后，隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性和計算機運算性能的提升，會使仿真研究的結(jié)果更加趨近于真實值。

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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

文章編號：1003-188X(2016)06-0116-06

中圖分類號：S183

文獻標識碼：A

作者簡介：薛忠(1980-)，男，山西山陰人，助理研究員，博士研究生，(E-mail)xxyyxz006@163.com。通訊作者：張衍林(1957-)，男，武漢人，教授，博士生導(dǎo)師，( E-mail)zhangyl@mail.hzau.edu.cn。

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金-粵東西北創(chuàng)新人才聯(lián)合培養(yǎng)項目(2014A030307034)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203072)；海南省自然科學(xué)基金項目(513149)

收稿日期：2015-05-27