基于正交試驗(yàn)和SolidWorks Simulation的大豆種子脫粒過(guò)程碰撞模擬分析

頓國(guó)強(qiáng)， 陳海濤， 劉環(huán)宇， 馮夷寧， 查韶輝， 侯守印

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

基于正交試驗(yàn)和SolidWorks Simulation的大豆種子脫粒過(guò)程碰撞模擬分析

頓國(guó)強(qiáng)， 陳海濤， 劉環(huán)宇， 馮夷寧， 查韶輝， 侯守印

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

為了探尋碰撞參數(shù)變化對(duì)大豆種子應(yīng)力分布及形變位移的影響規(guī)律，利用SolidWorks Simulation對(duì)大豆種子碰撞過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，獲得了大豆種子碰撞過(guò)程的應(yīng)力分布與位移形變及其隨時(shí)間的變化，并以碰撞速度及接觸半徑為試驗(yàn)因素，大豆種子碰撞過(guò)程的最大應(yīng)力及最大位移為試驗(yàn)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)方法，分析參數(shù)變化對(duì)指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)最大應(yīng)力指標(biāo)，兩因素影響極顯著；對(duì)最大位移，因素接觸半徑影響極顯著，碰撞速度影響顯著。且兩指標(biāo)隨著碰撞速度的增大而減小，隨著接觸半徑的增大而先減小而后趨勢(shì)減緩。研究結(jié)果為大豆種子脫粒機(jī)的仿真設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)提供了參考依據(jù)。

正交試驗(yàn)；大豆種子；SolidWorks Simulation；碰撞模擬；應(yīng)力及位移

大豆植株進(jìn)入脫?？臻g后，大豆在脫粒部件的作用下從豆莢內(nèi)脫出而實(shí)現(xiàn)脫粒，脫出的大豆種子會(huì)與脫粒滾筒上的釘齒（紋桿或弓齒）、滾筒及凹板和罩殼無(wú)規(guī)律的碰撞彈射后進(jìn)入分離與清選裝置，大豆種子與脫粒部件的碰撞是大豆機(jī)械損傷（包括外部損傷和內(nèi)部損傷）的主要源頭，外部損傷的大豆可由種子分選裝置清除，而具有內(nèi)部損傷的種子容易霉變、生蟲(chóng)、發(fā)芽率低，直接影響種子的出苗[1-7]。

以大豆種子有限元碰撞過(guò)程的應(yīng)力及位移為主要形式以表征種子內(nèi)部損傷的創(chuàng)新研究方法，因較少應(yīng)用而未受重視。目前，關(guān)于研究種子的內(nèi)部損傷及顆粒接觸碰撞研究的主要方法有損傷機(jī)理分析、試驗(yàn)研究、力學(xué)分析、有限元模擬、離散單元法等，如高連興等[8]應(yīng)用燈箱系統(tǒng)及體式顯微系統(tǒng)對(duì)大豆機(jī)械脫粒損傷特征及損傷率進(jìn)行了研究；徐立章和李耀明[9]進(jìn)行了稻谷的釘齒碰撞損傷有限元分析，揭示了稻谷胚乳及子實(shí)皮的應(yīng)力損傷情況；黃令軍等[10]采用離散單元數(shù)值模擬方法研究了球形顆粒的碰撞破碎行為；杜妍辰和王樹(shù)林[11]建立顆粒單個(gè)碰撞周期的分段力學(xué)模型，并進(jìn)行了兩顆粒彈塑性正碰撞的耗散模型的有限元分析驗(yàn)證；王成軍等[12]通過(guò)試驗(yàn)的方法測(cè)定了小麥種子碰撞模型中恢復(fù)系數(shù)。上述研究皆為單一的內(nèi)容研究，結(jié)合上述研究成果，采用綜合的方法模擬分析大豆種子與脫粒部件的碰撞過(guò)程，揭示大豆種子碰撞的損傷機(jī)理。

本文利用SolidWorks Simulation對(duì)大豆種子碰撞過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，獲得了種子碰撞過(guò)程的應(yīng)力分布及位移形變，并通過(guò)正交試驗(yàn)方法分析因素碰撞速度及碰撞半徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)種子碰撞過(guò)程的模型應(yīng)力分布及模型形變位移的影響。

1 大豆種子的碰撞模擬分析

1.1 物理參數(shù)測(cè)定及三維實(shí)體模型

選用東農(nóng) 52大豆種子為試驗(yàn)材料，含水率為12.1%，百粒重為 20.7 g。隨機(jī)選取完整大豆種子100粒，測(cè)量種子平均粒重0.203 g，平均粒長(zhǎng)a為7.00 mm、粒寬b為6.83 mm、粒厚c為6.25 mm，平均密度為 1.226 g/mm3。為便于大豆種子三維建模，可將大豆視為橢球體，其長(zhǎng)軸為7.00 mm，短軸為6.54 mm。利用SolidWorks 2009建立大豆種子的三維模型如圖 1所示，利用“質(zhì)量特性”特征[13-15]提取大豆種子橢球體積為156.73 mm3，表面積為140.69 mm2。

圖1 大豆外形尺寸及三維模型

1.2 碰撞模型

將大豆種子的三維實(shí)體模型保存為*.sldprt文件Soy-impact.sldprt，利用SolidWorks的有限元分析內(nèi)部插件模塊Simulation創(chuàng)建大豆種子的碰撞模型算例。查閱文獻(xiàn)[16-17]確定大豆種子的材料屬性參數(shù)（見(jiàn)表 1），利用材料自定義(D)功能定義大豆種子材料模型類(lèi)型為線彈性各向同性。

表1 大豆種子材料屬性設(shè)置

為建立大豆種子的碰撞模型如圖2所示，需輔助創(chuàng)建碰撞接觸面及標(biāo)定速度方向面，大豆以短軸方向與接觸面碰撞，接觸半徑3.27 mm，碰撞接觸面為剛性目標(biāo)，設(shè)定顆粒與接觸面的撞擊速度為5 m/s，摩察系數(shù)為0.4。沖擊后的求解時(shí)間設(shè)定為150 μs，圖解數(shù)50，為測(cè)定撞擊過(guò)程中大豆種子的應(yīng)力及位移狀況，在建模時(shí)添加Simulation數(shù)據(jù)（應(yīng)力最大值及位移最大值）傳感器，并在后處理參數(shù)設(shè)置時(shí)添加所有跟蹤的數(shù)據(jù)傳感器。

圖2 大豆碰撞參數(shù)設(shè)置

采用Simulation系統(tǒng)默認(rèn)的三維顯式結(jié)構(gòu)空間四面體實(shí)體單元對(duì)大豆種子模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小0.539 mm，公差0.027 mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)8 219，單元總數(shù) 7 383。大豆種子模型的網(wǎng)格劃分如圖 3所示[18]。

圖3 大豆模型網(wǎng)格劃分

1.3 碰撞模擬及結(jié)果分析

按以上參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行顆粒碰撞仿真算例，提取顆粒碰撞過(guò)程中應(yīng)力最大時(shí)應(yīng)力云圖及位移云圖的xoy面剪裁及仰視圖如圖4所示，圖中以真實(shí)比例顯示模型的位移效果。

圖4 模型應(yīng)力及位移云圖

從大豆種子模型的應(yīng)力分布 xoy剪裁可以看出，應(yīng)力最大主要發(fā)生在模型的中下部，向四周呈輻射狀擴(kuò)散減小，最大應(yīng)力值為55.5 MPa，由模型應(yīng)力仰視圖可見(jiàn)，應(yīng)力最大值在外表面呈多邊形環(huán)狀分布，其由模型網(wǎng)格劃分精度決定，越精越高多邊形越接近圓，且模型表面應(yīng)力分布由中心向四周先增大再減小。從模型的位移云圖xoy面剪裁可見(jiàn)，因軟件在計(jì)算模型變形時(shí)，以接觸面為參考基準(zhǔn)，這時(shí)，模型的變形情況將與實(shí)際變形相反，最大及最小位移發(fā)生在模型的上部及下步，沿y軸向中心呈輻射狀逐漸減小，位移分布關(guān)于y軸對(duì)稱(chēng)，由模型位移云圖的仰視圖可見(jiàn)，模型變形呈環(huán)狀分布，且由中心沿半徑方向逐漸減小，最大位移為0.523 1 mm。為更直觀形象地表達(dá)變形大豆種子的應(yīng)力分布，利用“探測(cè)”功能，提取變形大豆種子模型的y軸應(yīng)力分布數(shù)據(jù)及模型表面半周x軸向應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 模型應(yīng)力探測(cè)

由圖5可見(jiàn)，模型內(nèi)部y軸向應(yīng)力分布數(shù)據(jù)為32 MPa-55 MPa-2 MPa，先增后減；模型外部半周x向應(yīng)力數(shù)據(jù)為3 MPa-38 MPa-31 MPa-38 MPa-3 MPa，先增后減再增再減，且數(shù)據(jù)對(duì)稱(chēng)分布，數(shù)據(jù)探測(cè)結(jié)果與圖4模型的應(yīng)力分布分析相一致。

為分析大豆種子的應(yīng)力分布及變形隨時(shí)間的變化，修改大豆種子有限元模型邊緣屬性為離散，提取大豆種子單個(gè)碰撞周期不同時(shí)刻內(nèi)部應(yīng)力分布如圖6所示。

由圖6可以看出，在2.94 μs時(shí)為大豆碰撞開(kāi)始時(shí)刻，在模型的底部接觸區(qū)開(kāi)始產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力最大處位于接觸點(diǎn)，值為17.6 MPa，隨著時(shí)間的增加，應(yīng)力區(qū)域上移并呈輻射狀逐漸增大，應(yīng)力值也同步增加，在 t=68.93 μs時(shí)達(dá)到最大變形，此時(shí)應(yīng)力最大值為55.55 MPa，此后因大豆回彈現(xiàn)象的發(fā)生，大豆反向運(yùn)動(dòng)逐漸脫離接觸面，應(yīng)力區(qū)域逐漸縮小，應(yīng)力值也相應(yīng)減小，直至134.9 μs，大豆脫離碰撞接觸面，但應(yīng)力區(qū)域沒(méi)有隨大豆的脫離而馬上消失，而在大豆的內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力，以應(yīng)力波的形式傳輸于大豆內(nèi)部，且應(yīng)力波逐漸衰減[19-21]。

在大豆種子位移云圖的xoy截面上標(biāo)出位移最大處的位置及對(duì)應(yīng)位移值，并勾選變形圖解選項(xiàng)-將模型疊加于變形圖解上，提取大豆種子單個(gè)碰撞周期不同時(shí)刻位移云圖如圖7所示。

由圖7可以看出，大豆單個(gè)碰撞周期中形變位移的形變過(guò)程與大豆應(yīng)力分布隨時(shí)間的變化具有相同的趨勢(shì)，但應(yīng)力最大時(shí)刻并不與位移最大時(shí)刻相同，位移最大時(shí)刻為62.94 μs，位移值0.523 1 mm，之后變形逐漸減小，直至134.91 μs脫離接觸面，但因大豆種子內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用，大豆并未恢復(fù)原狀，而是沿y軸方向以“伸長(zhǎng)-壓縮-伸長(zhǎng)”的方式非周期性的衰減變形。

提取大豆種子模型的應(yīng)力時(shí)間歷史圖解，設(shè)定大豆種子有限元模型邊緣屬性為離散，如圖8所示，沿y軸方向?qū)Υ蠖鼓Ｐ捅砻婷總€(gè)應(yīng)力離散區(qū)的應(yīng)力值進(jìn)行探測(cè)，對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤；同時(shí)，提取模型表面半周的形變位移歷程數(shù)據(jù)。

圖6 大豆單個(gè)碰撞周期中不同時(shí)刻內(nèi)部應(yīng)力分布圖

圖7 大豆單個(gè)碰撞周期中不同時(shí)刻形變位移

由圖8可見(jiàn)，在單個(gè)碰撞周期中，模型表面各應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力先增大后減小，越接近接觸面的應(yīng)力值越大，且應(yīng)力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。但圖4所示的模型應(yīng)力分布上的應(yīng)力環(huán)狀激增區(qū)的應(yīng)力較為特別，造成兩個(gè)探測(cè)區(qū)域應(yīng)力探測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)變歷程的交叉，模型表面的位移曲線與表面應(yīng)力歷程曲線趨勢(shì)相類(lèi)似，位移歷程曲線較為光滑，而應(yīng)力歷程具有一定的波動(dòng)。當(dāng)大豆種子脫離接觸面后，應(yīng)力曲線并未消失，而是以小振幅的波動(dòng)曲線存在，這與碰撞過(guò)程的應(yīng)力理論分析相一致；而模型的位移曲線在大豆種子脫離接觸面后以一定的速度線性增大，這主要是由于在碰撞模型中，位移的計(jì)算基準(zhǔn)是接觸面，且在模型中不存在外部加速度，因此，位移曲線產(chǎn)生了如圖8所示的趨勢(shì)。

2 碰撞參數(shù)影響正交試驗(yàn)

為分析大豆種子接觸半徑（接觸位置）變化及撞擊速度改變對(duì)大豆有限元模型應(yīng)力分布及形變位移的影響，基于上述大豆種子有限元碰撞分析結(jié)果，以大豆碰撞接觸半徑及撞擊速度為試驗(yàn)因素，應(yīng)力最大值及形變位移最大值為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L9(34) 正交表，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，分析碰撞參數(shù)變化對(duì)大豆應(yīng)力及變形的影響，為排除其他應(yīng)力因素的干擾，模型材料屬性、模型網(wǎng)格劃分及接觸面靜摩擦設(shè)為定值[22]。正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。虛擬試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

利用軟件design-expert 6.0.10對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果的方差分析見(jiàn)表4。

表4 方差分析

由表4可知，在顯著性水平0.01下，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有限元模型最大應(yīng)力，兩因素影響均為極顯著；對(duì)于最大形變位移，接觸半徑影響為極顯著，沖擊速度影響為顯著。

為分析因素撞擊速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，選定接觸半徑為3.5 mm，分別提取撞擊速度為5 m/s、7.5 m/s、10 m/s時(shí)的模型應(yīng)力最大值及位移最大值，撞擊速度對(duì)指標(biāo)的影響趨勢(shì)如圖9所示，可知模型應(yīng)力最大值及最大形變隨碰撞速度增大而增大。

圖9 撞擊速度對(duì)應(yīng)力及變形的影響

同樣，為分析因素接觸半徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，選定撞擊速度為10 m/s，分別提取接觸半徑3個(gè)水平相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)，接觸半徑對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響趨勢(shì)如圖10所示。

圖10 接觸半徑對(duì)應(yīng)力及變形的影響

由圖10可見(jiàn)，隨著大豆種子接觸半徑的增加，模型應(yīng)力最大值先減小而后趨勢(shì)減緩；同時(shí)，模型最大形變位移隨接觸半徑的增大先減小而后基本保持定值。

3 結(jié) 論

利用 SolidWorks2009建立了大豆種子的動(dòng)力學(xué)接觸碰撞模型，并利用Simulation對(duì)其碰撞過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬分析，獲得了種子應(yīng)力最大時(shí)的模型應(yīng)力分布云圖及形變位移云圖，并分析其隨時(shí)間的變化。

以碰撞速度及接觸半徑為試驗(yàn)因素，種子碰撞過(guò)程的最大應(yīng)力及最大位移為試驗(yàn)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)方法，分析參數(shù)變化對(duì)應(yīng)力分布及形變位移的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)最大應(yīng)力，兩因素為極顯著影響；對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)最大位移，接觸半徑為極顯著影響，碰撞速度為顯著影響。同時(shí)，兩指標(biāo)隨著碰撞速度的增大而減小，隨著接觸半徑的增大而先減小而后減小趨勢(shì)減緩。同時(shí)，研究結(jié)果為大豆種子脫粒機(jī)的仿真設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)提供了參考依據(jù)。

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Soybean Impacting Simulation Analysis in Threshing Process Based on SolidWorks Simulation and Orthogonal Test

Dun Guoqiang, Chen Haitao, Liu Huanyu, Feng Yining, Zha Shaohui, Hou Shouyin
(College of Engineering, Northeast Agriculture University, Harbin Heilongjiang 150030, China)

In order to explore the response about the impact of impacting parameters changing on soybean seed stress distribution and deforming displacement, the simulation analysis of the impacting processing between soybean and contacting plane has been done by using SolidWorks Simulation and obtained soybean model′s stress distribution and deforming displacement with time′s changing in soybean impacting processing, the impacting velocity and contact radius were selected as factors and the model stress maximum and the displacement maximum were selected as indexes, using orthogonal testing method to analyze factors affecting indexes. The test results indicate that two factors have significant influence on the model stress maximum, for index displacement, contact radius was significant, impact velocity was notable. Meanwhile, two indexes increased with impact velocity′s increasing, but when contact radius increased, the indexes first decreased and then decreasing trend become slowing. At last, the results of the research provided a reference for soybean seed thresher′s simulation design and product research and development.

orthogonal test; soybean seed; SolidWorks Simulation; impacting simulation, stress and displacement

S 223.2

A

2095-302X(2015)05-0724-06

2015-04-23；定稿日期：2015-07-01

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201303011)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(GARS-04)；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(yjscx14020)

頓國(guó)強(qiáng)(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生。主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。E-mail：dunguoqiang110@126.com

陳海濤(1962-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士。主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及生物質(zhì)材料。E-mail：htchen@neau.edu.cn