基于ANSYS/LS－DYNA的仿生刀具土壤切削的動力學仿真*

劉偉奇，陳 姣，余 奇，鐘志超

(河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022)

1 有限元建模［3］

1．1 刀具和土體的實體建模

本仿真是要對比普通刀具和仿真刀具［1－2］在切削條件相同的情況下，切削阻力大小的情況，因而需要建立普通刀具和仿生刀具兩種刀具模型，分別如圖1、2所示。刀具模型采用的是3－D實體模型，可以采用四邊形自由劃分網(wǎng)格的方式進行網(wǎng)格的劃分。

圖1 普通刀具

圖2 仿生刀具模型

土體也采用四邊形自由劃分網(wǎng)格的方式進行網(wǎng)格的劃分，其有限元模型如圖3所示。

圖3 土體模型

1．2 土壤模型

選擇合理的土壤本構(gòu)模型，對于提高土壤切削仿真分析的正確性具有重要意義。本文選用了LS_DYNA提供的第147號材料，即MAT147(MAT_FHWA_SOIL)材料模型。這是一種適合于實體單元、考慮損傷的各向同性材料模型。此土壤材料采用修正的Mohr_Cloulomb屈服準則，其屈服面表達式［5］為:

式中:P為壓力;φ為內(nèi)摩擦角;J2為應力張量的第二不變量;k(θ)為張量平面角函數(shù);C為粘聚力;Ahyp為修正后的Mohr－Cloulomb屈服面和標準的Mohr－Cloulomb屈服面相似程度。

本文中，選取的部分土壤參數(shù)如表1所示，其余參數(shù)取值參照LS－DYNA971關鍵字手冊中的*MAT_FHWA_SOIL模型。

表1 粘土的主要參數(shù)

1．3 刀具的有限元模型

刀具采用45#鋼制造，材料屬性如下:彈性模量為2．0×e11，泊松比為 0．28，密度為 7．8×103kg/m3。選用剛體模型定義刀具材料，約束剛性體X，Y，Z方向位移和X，Y方向的旋轉(zhuǎn)，網(wǎng)格劃分如圖所示。

1．4 施加邊界條件和載荷

定義土壤的底面位移UZ=0，為土壤外端面施加無反射邊界條件。為刀具定義的沿X方向的切削速度V=5 m/s。施加約束后的模型如圖4所示。

圖4 定義約束

本文主要分析普通刀具和仿生刀具切削土壤工程中切削力的大小，因此將刀具定義為目標部件，土體定義為接觸部件。添加刀具與土壤之間的面面侵蝕接觸，側(cè)接觸能保證土壤表面單元在失效的情況下程序自動定義新的接觸面。

2 求解和分析

輸出模型關鍵字K文件，修改和添加ANSYS未寫入的一些分析中所需的信息字段，如土壤材料模型等。將K文件遞交LS－DYNA程序求解，最后通過后處理程序LS－PREPOST打開結(jié)果文件，進行數(shù)據(jù)分析。

2．1 切削過程

普通刀具對土體切削的模擬過程如圖5所示。

圖5 不同時刻的切削狀態(tài)

由圖5刀具在不同時刻的切削等效應力圖可以看出:t=0．015時，刀具與土壤開始接觸;t=0．03時，刀具切入土壤，土壤受到剪切作用而失效;t=0．1時在刀具的剪切和擠壓作用下，土壤開始沿著刀具面向上滑動、變形失效。切削過程中與刀具接觸的土壤質(zhì)點速度方向與刀面垂直，且沿著刀具面上移，這與實際的切削過程一致。

圖6是模型在t=0．24時的等效應力分布情況，由該圖可以看出，最大等效應力分布在刀具刃口上部，而不是在刃口處。這主要是由于刀具在切削土壤過程中，土壤沿刀具面上移，同時刀具還受到上方土壤的壓力以及刃口處土壤的擠壓而形成的。而刀具刃口出的的應力值較大，這主要是由于刃口出的形狀導致的應力集中引起的。

圖6 t=0．024時模型的von mises stress分布

2．2 切削力

本仿真的主要目的是研究仿生刀具在切削土壤過程中的減阻脫土效果，因此切削力是主要的評價指標。由圖7和圖8對比可以明顯看出仿生刀具的界面反力比平面刀具切削土壤時的界面反力要小，即作用在刀具上的力比平面刀具小。圖7所示的仿生刀具的平均切削力為5．8 kN，而圖8所示的平面刀具的平均切削力為11 kN。

圖7 仿生刀具的界面反力

圖8 平面刀具的界面反力

仿生刀具上的倒扣碟形凸起個數(shù)對切削力的影響之前已經(jīng)做了相關優(yōu)化。為了進一步了解在仿真過程正仿生刀齒凸起與基面的受力情況，分別選取凸起表面的一個單元和基面上的一個單元，命名為A單元和B單元，查看兩個單元在切削過程中的受力

(2)本噴灑車整體噴灑工具所需的能量來自太陽能感光板，吸收的光能轉(zhuǎn)化，為環(huán)保能源。

(3)本噴灑車在左、右、后三處均設有噴竿，并且噴竿均可以根據(jù)要求進行左右或上下的調(diào)整，適應性高。

(4)本噴灑車結(jié)構(gòu)新穎、具有普通電動車特有的功能。外形美觀大方。密封嚴密，操作簡單可靠。并且，本噴灑車成本較低，價格大多數(shù)農(nóng)戶均能接受。

3 總結(jié)

新型太陽能農(nóng)藥噴灑車汲取現(xiàn)有噴灑裝置的優(yōu)點，完善其不足，并將太陽能技術應用到該車上，節(jié)能環(huán)保。并且將機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相結(jié)合，滿足噴灑車的半自動化作業(yè)，能夠通過探測系統(tǒng)對噴灑車的工作狀態(tài)進行判斷并及時進行調(diào)整。本文設計的新型太陽能農(nóng)藥噴灑車成本低、體積小、性價比高、節(jié)省人力、安全可靠、操作方便，適應于各種環(huán)境下的藥液噴灑，具有廣闊的應用前景。

［1］ 機械工程手冊編委會．機械工程手冊［M］．第二版．北京:機械工業(yè)出版社，1997．

［2］ 商躍進，曹茹．SolidWorkes［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2012．

［3］ 劉軍營，陳建文．液壓與氣壓傳動［M］．北京:西安電子科技大學出版社，2002．

［4］ 徐 灝．機械設計手冊(第四卷)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1991．

［5］ 王曉璨，張鵬松．太陽能電動車電源控制系統(tǒng)的設計［J］．機械與電子，2013，12(5):36-39．