基于有限元的樹木移植機(jī)鏟刀挖掘力分析

孟兆新，王亮亮，范恒博

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，保證城市生態(tài)環(huán)境成為當(dāng)今社會(huì)不可推卸的責(zé)任，而城市綠化又是城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要任務(wù)，針對(duì)城市環(huán)境的局限性，樹木移栽成為了短時(shí)間內(nèi)加速城市綠化水平的重要途徑。以往，樹木移植多以人工移栽為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)規(guī)模小、移栽效率低、成活率也不高，因此機(jī)械化移植(特別是樹木移植機(jī)的應(yīng)用)就成為了高效的現(xiàn)代化樹木移植技術(shù)亟需普及的樹木移栽方式。

鏟刀是樹木移植機(jī)的重要組成部件，根據(jù)切削土壤的方式和結(jié)構(gòu)，鏟刀一般可分為U形鏟、弧形鏟和直鏟，而直鏟按照鏟刀形狀又分為菱形(曲面)鏟和V字形鏟等[1-2]。本文對(duì)直鏟式菱形鏟刀切削土壤過(guò)程受力情況進(jìn)行理論分析，利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬鏟刀切削土壤的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析切削土壤過(guò)程中土壤的應(yīng)力變化及鏟刀切削阻力的變化情況，目的是為了減少切削阻力，尋找較優(yōu)的鏟刀結(jié)構(gòu)。

1 樹木移植機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為四瓣式菱形鏟刀組結(jié)構(gòu)示意圖，主要由：1懸掛架、2固定架、3開合油缸、4開合架、5定位套座、6定位油缸、7移動(dòng)導(dǎo)軌、8鏟刀、9導(dǎo)軌架和10固定導(dǎo)軌組成。

樹木移植機(jī)工作時(shí)，通過(guò)液壓裝置開啟導(dǎo)軌架開閉鎖，前移使苗木位于鏟刀中央，閉合鏟刀組；控制液壓油缸使鏟刀依次入土挖掘苗木，將苗木與土壤分離；操縱懸掛機(jī)構(gòu)提升鏟刀組及被土球包裹的苗木；將機(jī)器駛離挖掘點(diǎn)，卸下苗木，進(jìn)行下一次作業(yè)。

圖1 四瓣式菱形鏟刀組結(jié)構(gòu)示意圖

2 鏟刀切削土壤過(guò)程受阻力理論分析

樹木移植過(guò)程中土質(zhì)條件多變且較為復(fù)雜，切削過(guò)程中的阻力主要有切入土壤時(shí)的切削阻力、土壤摩擦阻力、切削樹木根莖時(shí)的切斷阻力以及土壤中碎石對(duì)鏟刀的阻力等。

鏟刀與所切削的土壤間的相互作用力F：

F=Fu+Fv+Fa。

(1)

式中：Fu、Fv和Fa分別為鏟刀下鏟的過(guò)程中的位移、速度以及加速度產(chǎn)生的相互作用力。鏟刀下鏟速度一般較低，近于勻速，由此在考慮所受阻力時(shí)，忽略慣性力Fa的影響[3]。菱形鏟刀參數(shù)如圖2所示。

圖2 菱形鏟刀參數(shù)示意圖

由于鏟刀受阻力情況較為復(fù)雜，且當(dāng)鏟刀在切削土壤時(shí)克服阻力，會(huì)發(fā)生變形應(yīng)力分布情況復(fù)雜，另外，受土壤力學(xué)研究水平限制，傳統(tǒng)理論方法并不能完全求解鏟刀工作時(shí)所受阻力。因此，理論計(jì)算通常采用以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)建立下面的鏟刀切削阻力經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

F=0.130 7X1.138 4·γ0.755 3·C0.2 447(13.927 5+0.563 3×100.024 3β)(kN)。

(2)

式中：X為鏟刀切削位移量m；γ為土壤容重，g/cm3；C為土壤內(nèi)聚力Pa；β為鏟刀圍角的半角，°。

(3)

3 鏟刀切削土壤過(guò)程的虛擬仿真分析

3.1 菱形鏟刀及土壤有限元模型的建立

圖3 菱形鏟刀與土壤模型

在UG中建立菱形鏟刀及土壤三維模型，如圖3(a)所示。鏟刀組采用四瓣式，即鏟刀圍角d的半角，β=45°，H=100，a=45°，鏟刀厚度為1.4。

運(yùn)行ANSYS12.0，導(dǎo)入已完成的三維模型。單元類型選用3D solid164單元，鏟刀材料設(shè)定為線彈性材料 “Elastic”模型，材料參數(shù)依次輸入：密度為7.8、彈性模量為EX=2E12、泊松比為0.3(本文采用g-cm-s單位制)。

由于土壤具有松散、多相、高度非線性等特點(diǎn)，屬于應(yīng)變硬化和軟化的彈塑性材料[5-7]，因此在LS-DYNA中選用“SOIL_AND_FOAM_FAILURE”材料模型。部分土壤參數(shù)見表1，其他土壤參數(shù)根據(jù)LS-DYNA971關(guān)鍵字手冊(cè)中的*MAT_FHWA_SOIL模型設(shè)定。

表1 部分土壤參數(shù)

網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)鏟刀采用智能網(wǎng)格劃分方式，對(duì)土壤采用手動(dòng)控制線條單元個(gè)數(shù)的方法劃分，如圖3(b)所示。對(duì)土壤底面自由度全約束，側(cè)面采用無(wú)反射邊界條件約束。

在LS-DYNA中選擇面面接觸的侵蝕分析，設(shè)定ESTS-Eroding類型(當(dāng)單元可能失效時(shí)所用的接觸，目的是在模型外部單元失效被刪除后，剩下的單元仍考慮接觸)。

3.2 鏟刀切削土壤虛擬仿真與結(jié)果分析

鏟刀以切削角45°、v=0.2 m/s勻速切削土壤，其切削過(guò)程仿真如圖4所示。

圖4 鏟刀切削土壤過(guò)程仿真

3.2.1 切削過(guò)程中應(yīng)力分析

鏟刀以切削角45°勻速切削土壤，在0 s時(shí)與土壤接觸，尖端首先接觸土壤，之后隨著鏟刀與土壤接觸面積逐漸增大，在鏟刀的剪切和擠壓作用下，部分與鏟刀直接接觸的土壤單元被破壞，變形失效[8-9]。

通過(guò)后處理器LS-PREPOST查看結(jié)果，如圖5所示為不同時(shí)刻土壤的von mises stress分布圖。土壤的等效應(yīng)力集中在刀具的刃口上部，而不是在刃口處，鏟刀切削過(guò)程中土壤沿刀面向上滑動(dòng)，同時(shí)土壤受到前方和上部土壤壓力及刀具的擠壓促使土壤應(yīng)力集中在刃口上部。

3.2.2 切削過(guò)程鏟刀受力分析

鏟刀以切削角切削土壤過(guò)程中所受土壤反作用力隨時(shí)間變化曲線，如圖6所示。鏟刀在0 s與土壤接觸后，開始受到土壤反作用力，約4.10 s時(shí)土壤瞬時(shí)反作用力達(dá)到最大值0.409 kN。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，求解出切削過(guò)程受到土壤的平均反作用力約為0.223 kN。

圖5 土壤von mises stress分布情況

圖6 切削角45°時(shí)鏟刀所受力

同理，在其他條件不變的情況下，只改變鏟刀切削角度，分別求解鏟刀切削角度為30°、35°、40°、50°、55°、60°和65°時(shí)鏟刀所受土壤反作用力，整理結(jié)果見表2，相應(yīng)折線圖如圖7所示。

由表2和圖7可知，當(dāng)切削角度為65°時(shí)，鏟刀受到土壤最大瞬時(shí)反作用力值最小，且平均反作用力最小；當(dāng)切削角度為30°時(shí)，鏟刀受到土壤最大瞬時(shí)反作用力值最大；當(dāng)切削角度為30°時(shí)，鏟刀受到土壤平均反作用力值最大。根據(jù)上述虛擬仿真結(jié)果圖表，針對(duì)不同實(shí)際情況，可對(duì)鏟刀的初步設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

表2 不同切削角度受力情況

圖7 不同切削角度受力情況

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合UG、ANSYS/LS-DYNA軟件，完成了鏟刀切削土壤的三維模型及有限元建模，并在ANSYS/LS-DYNA中定義了帶失效的土壤材料，構(gòu)建了鏟刀與土壤相互作用的虛擬仿真模型。

利用該模型模擬分析了鏟刀切削土壤的動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)LS-PREPOST后處理器，得到了土壤被切削過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，以及鏟刀受到土壤反作用力隨時(shí)間的變化情況，并對(duì)不同鏟刀切削角度受反作用力進(jìn)行對(duì)比，為初步確定鏟刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)及進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

由于在現(xiàn)實(shí)中土質(zhì)情況較為復(fù)雜，土壤中的樹木根系、碎石等都會(huì)對(duì)鏟刀切削產(chǎn)生影響，另外土壤條件也會(huì)隨著深度變化而變化，因此對(duì)于多物質(zhì)耦合以及分層模擬的研究值得進(jìn)一步探討。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] Lemar Tree Spades[EB/OL].http：/ /www.lemarweb.com/site/.

[2] Dutchman Truck Spade[EB/OL].http：//dutchmasternurseriesltd.com/.

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