基于LS-DYNA的絞刀土壤切削仿真

楊晨，陳永梅，吳騰偉，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

基于LS-DYNA的絞刀土壤切削仿真

楊晨，陳永梅，吳騰偉，胡京招

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立絞刀和土體的有限元模型，應(yīng)用LS_DYNA的顯式動(dòng)力學(xué)分析算法，對(duì)絞刀切削土壤的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行模擬，得到絞刀在切削土體時(shí)功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，為絞刀-土壤切削研究提供一種新的手段和方法。

土壤；絞刀；有限元法；仿真分析

絞吸船的施工作業(yè)首先由絞刀完成，泥土只有被切削并形成碎塊才能被吸入。因此絞刀挖掘性能的好壞直接影響船舶生產(chǎn)效率和施工成本，是挖泥船最重要的部件之一[1]。

國外疏浚公司如美國的Esco公司和荷蘭的Vosta-lmg公司對(duì)絞刀的研究和制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其研究成果均未公布。國內(nèi)開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)較少，掌握的技術(shù)資料也比較匱乏，國內(nèi)絞刀設(shè)計(jì)和制造體系還沒形成，有些設(shè)計(jì)和制造還停留在模仿國外同類產(chǎn)品上，產(chǎn)品適應(yīng)性差。國內(nèi)急待建立起完整的絞刀設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的理論體系[2]。而有限單元法作為一種高效的數(shù)值計(jì)算方法，可用于解決彈塑性變形、碰撞、材料失效、侵蝕等高度非線性問題，在采煤機(jī)、盾構(gòu)機(jī)以及螺旋開溝器的設(shè)計(jì)優(yōu)化中都有應(yīng)用[3-4]。本文借助LS-DYNA強(qiáng)大的非線性求解功能，采用Lagrange算法對(duì)絞刀土壤切削進(jìn)行仿真模擬，分析絞刀在切削土體時(shí)功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，旨在為絞刀設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究提供一種新的手段和方法。

1 仿真模型建立

1.1 土壤模型

本文絞刀土壤切削模擬中采用LS-DYNA971中的MAT_147（MAT_FHWA_SOIL0）土壤材料本構(gòu)模型[5]，它是一種針對(duì)實(shí)體單元且考慮損傷的各項(xiàng)同性材料模型，該模型采用修正的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，修正后的屈服面與Mohr-Coulomb屈服面呈雙曲線擬合，它與應(yīng)力主軸相交處是一個(gè)光滑面，并與應(yīng)力主軸垂直。模型擴(kuò)展了含水率影響，變形率影響和單元?jiǎng)h除，其屈服面表示為：

上式中Ahyp取值對(duì)仿真的穩(wěn)定性非常重要，當(dāng)Ahyp=0時(shí)上式恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)的Mohr-Cloulomb屈服面。當(dāng)采用較大值時(shí)，雙曲表面明顯偏離Mohr-Cloulomb屈服面，對(duì)數(shù)值模擬來講，Ahyp應(yīng)該取值小于ccot（φ）[6]。

本文所采用的土壤模型三維尺寸為5 000 mm× 3 800 mm×2 000 mm，采用全實(shí)體SOLID164單元，單元尺寸25 mm，共劃分了2 432 000個(gè)單元，采用Lagrange算法。土壤主要材料參數(shù)參照Lweis的材料手冊(cè)[6]。

1.2 絞刀模型

采用專用三維建模軟件Solidworks建立絞刀模型，并在ANSYS中調(diào)用。絞刀主要參數(shù)有絞刀外徑D、輪轂外徑d、刀臂外輪廓線包角Ω1、刀臂內(nèi)輪廓線包角Ω2、刀臂安裝角φ、刀臂外輪廓線高度H、刀臂內(nèi)輪廓線高度h等。

本文模擬計(jì)算采用3 500 m3絞吸船通用型絞刀，該絞刀主要用于挖掘淤泥、松散砂等較軟土質(zhì)。絞刀建模遵循線→面→體的原則。將刀臂看成沒有厚度的曲面，生成各刀臂的空間曲線，之后放樣形成刀臂外輪廓曲面，通過縫合生成刀臂實(shí)體。刀臂空間曲線由2個(gè)空間曲面相交而得，即由絞刀軸面和絞刀平面曲線方程確定，同理生成其他主要刀臂輪廓線，縫合生成刀臂實(shí)體。

刀臂輪廓生成之后根據(jù)刀齒的仰角、傾角確定刀齒安裝位置，為便于網(wǎng)格的劃分，對(duì)齒座進(jìn)行了簡化處理，最后通過陣列和組合實(shí)體命令得到完整的絞刀分析模型（圖1）。

1.3 模型設(shè)定

1）絞刀和土壤全部采用SOLID164單元，為控制沙漏變形，采用全積分算法進(jìn)行求解。

2）本次仿真主要目的在于得到絞刀在切削土體時(shí)功率消耗、切削阻力以及土壤的等效應(yīng)力變化規(guī)律，因而為簡化計(jì)算，將絞刀模型視為剛體模型MAT_RIGID，模型彈性模量2×1011Pa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。

3）定義絞刀和土壤面面侵徹接觸（*ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE），為防止初始穿透，絞刀和土壤模型間有一定距離，定義絞刀部件為Contact，土壤部件為Target。

4）定義模型載荷，對(duì)絞刀而言共2個(gè)載荷，分別為絞刀自轉(zhuǎn)和橫移。根據(jù)實(shí)船施工工藝，絞刀橫移速度約0.21 m/s，絞刀轉(zhuǎn)速0.5 r/s，統(tǒng)一單位制3.14 rad/s，切削仿真時(shí)長25 s，切削長度5.25 m。采用*boundary_prescribed_motion_rigid關(guān)鍵字定義絞刀載荷。

5）定義模型邊界條件，由于實(shí)際土體為無限大三維空間，為消除有限元土壤邊界應(yīng)力波對(duì)仿真結(jié)果的影響，對(duì)土壤周邊及底面施加無反射邊界條件。同時(shí)對(duì)土體底面施加全約束，保留絞刀X方向移動(dòng)和繞Z轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其余自由度。

6）K文件修改，由于ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)LS-DYNA970支持并不完善，一些參數(shù)設(shè)定無法在前處理中直接添加。因此需對(duì)生成的K文件進(jìn)行修改，添加相應(yīng)關(guān)鍵字再提交LS-DYNA971求解器進(jìn)行求解。本文通過修改關(guān)鍵字文件添加土壤材料*MAT_147（*MAT_FHWA_SOIL）。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 切削功率分析

分析絞刀土壤模擬過程，如圖2所示。2 s之前絞刀處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，未切削到土體，消耗功率基本為0。2～7 s絞刀由開始的空轉(zhuǎn)到逐漸切削到土體，且隨著絞刀的橫移，切削量不斷增大，所消耗的功率從0開始逐漸增大，7 s后土壤全部進(jìn)入絞刀切削半徑作用范圍內(nèi)，切削量不再增加，絞刀消耗功率不再增大，平均功率在110 kW左右。

絞刀切削過程中，其總能耗包括絞刀宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀運(yùn)動(dòng)所消耗的內(nèi)能。因仿真過程中絞刀動(dòng)能基本保持不變，2 s前系統(tǒng)總能保持不變，之后絞刀接觸土壤，開始對(duì)土壤做功，克服土體變形和土體運(yùn)動(dòng)。隨著切土量的增加，系統(tǒng)總能耗不斷增加。將總切削能對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到切削功率，從圖3中可以看出2 s前絞刀功率幾乎為0，2 s后絞刀功率逐漸增大，7 s后絞刀功率趨于穩(wěn)定，并呈周期性震蕩，最大功率160 kW，平均功率110 kW左右。

因?yàn)榻g刀在轉(zhuǎn)動(dòng)切削土體過程中，刀臂與刀臂之間存在切削間隔，刀臂切削土體為非連續(xù)性切削，且相鄰刀臂之間刀齒又呈間隔布置。因此，絞刀功率消耗曲線出現(xiàn)有規(guī)律的震蕩是符合實(shí)際工況的。本文計(jì)算采用的絞刀為挖泥和松散砂等軟質(zhì)土的絞刀模型，與梁鑫[7]等人模擬計(jì)算采用的絞刀模型略有不同。因此本文計(jì)算的結(jié)果略低于梁鑫等人采用的離散元法分析結(jié)果，但變化趨勢以及量級(jí)均與其一致，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。

2.2 切削阻力分析

以絞刀輪轂頂面作為模擬分析XOY平面，絞刀橫移方向?yàn)閄軸負(fù)方向，垂直于絞刀輪轂頂面指向絞刀大圈的方向?yàn)閆軸負(fù)向。絞刀土體切削過程中，X軸切削阻力曲線如圖4所示，自第2 s起絞刀開始切削土壤，切削阻力從0開始增大。隨著絞刀切土量的不斷增大，切削阻力逐漸上升，至第7 s切削過程穩(wěn)定，切削阻力不再增大，之后呈現(xiàn)周期性的震蕩。穩(wěn)定后的最大切削阻力43 kN，最小切削阻力15 kN，平均切削阻力25 kN。

絞刀產(chǎn)生的橫移阻力主要由橫移絞車平衡，參照代爾夫特大學(xué)提供的絞刀頭受力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，切削過程時(shí)絞刀橫移阻力，正刀切削時(shí)Ch取0.6[8]。

根據(jù)上面絞刀功率模擬值計(jì)算轉(zhuǎn)矩M。

則依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得的橫移阻力Fh=20.7 kN，可以看出模擬計(jì)算基本吻合經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算結(jié)果略大于經(jīng)驗(yàn)公式，可能是由于模擬計(jì)算相對(duì)切削厚度比經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算假定的相對(duì)切削厚度大造成的。絞刀三軸受力合力如圖5所示，受力變化規(guī)律與X軸受力相似，穩(wěn)定后呈周期性震蕩，最大受力45 kN，最小受力18 kN，平均受力30 kN。

2.3 切削產(chǎn)量分析

絞吸船工作過程中，切削產(chǎn)量的高低是評(píng)價(jià)絞刀性能的又一重要因素。本文的計(jì)算土壤網(wǎng)格為均勻正方體網(wǎng)格，計(jì)算過程中有關(guān)土壤侵徹破壞信息都記錄在messag文件中。通過查看messag文件可知本仿真計(jì)算共有550 736個(gè)單元破壞，因?yàn)閱卧W(wǎng)格為25 mm的正六面體，所以此次仿真計(jì)算總切削產(chǎn)量為：

Q=550 736×0.0253=8.6 m3

若不考慮從第2 s到第7 s不穩(wěn)定切削過程的影響，本計(jì)算有效切削時(shí)間t=23 s。則平均切削效率為：

2.4 土體應(yīng)力分析

通過絞刀土壤切削過程模擬，可以得到不同時(shí)刻絞刀土壤應(yīng)力分布云圖，因本文為加快計(jì)算速度，將絞刀視為剛體處理，因此計(jì)算結(jié)果只包含土壤應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

由于不同時(shí)刻絞刀切削阻力不同，導(dǎo)致不同時(shí)刻土壤最大應(yīng)力也不盡相同，最大應(yīng)力在10～ 40 MPa之間。從圖中可以看出絞刀土壤切削時(shí)，刀尖剪切擠壓土壤，土壤在刀齒作用下發(fā)生較大的變形，最終失效破壞，大應(yīng)力區(qū)大都集中在絞刀齒尖部位，這也說明絞刀土壤切削作用時(shí)刀齒齒尖會(huì)一致處于比較高的受力狀態(tài)，與實(shí)際施工時(shí)刀齒齒尖磨損破壞嚴(yán)重也較為一致。

沿絞刀橫移方向，在土體表面任取3個(gè)單元見圖3（a），A單元編號(hào)2394552，B單元編號(hào)2394617，C單元編號(hào)2378702。這些單元直接受到絞刀的切削作用，能充分表現(xiàn)土體在絞刀切削過程中的狀態(tài)，得到3點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線如圖7所示。從中可以看出，3點(diǎn)變化趨勢大致相同，在絞刀刀齒接近切削作用點(diǎn)之前，土體在擠壓作用下應(yīng)力值緩慢增加，當(dāng)絞刀齒運(yùn)動(dòng)到該單元所在位置時(shí)，應(yīng)力值急劇增加到某一峰值，該單元達(dá)到屈服破壞，單元失效被刪除，不再參與計(jì)算，應(yīng)力值降為0，這也符合黏塑性土的基本特性[9]。

3 結(jié)語與展望

本文通過有限元法對(duì)絞刀土體切削過程進(jìn)行仿真探討，所得結(jié)果與現(xiàn)有理論基本一致，為絞刀土壤切削過程研究開辟了新的方法與思路，也為今后絞刀的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)。

絞刀土壤切削是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，目前尚無系統(tǒng)完整的研究理論。本文主要針對(duì)研究方法的可行性做出了初步探討。今后仍需對(duì)以下幾個(gè)方面做進(jìn)一步研究。

1）將絞刀視為柔性體，研究不同位置刀齒受力、應(yīng)力、應(yīng)變情況，從而優(yōu)化刀齒結(jié)構(gòu)及排布：

2）對(duì)比分析不同刀臂輪廓絞刀切削能耗比，優(yōu)化絞刀刀臂輪廓型線。

3）分析不同材料本構(gòu)模型、材料參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采用SPH法、ALE法等不同的求解方法使切削過程更加符合實(shí)際，進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Cutter-soil cutting simulation based on LS-DYNA

YANG Chen,CHEN Yong-mei,WU Teng-wei,HU Jing-zhao
（CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

Using the software ANSYS/LS-DYNA to establish the cutter and soil finite element models.Using LS-DYNA explicit dynamic analysis algorithm to simulate the dynamic process of the cutter-soil cutting,we obtained the power consumption, cutting resistance and change rule of the equivalent stress when the cutter was cutting soil.This paper has provided a new mean and method for the cutter-soil cutting research.

soil;cutter;finite element method;simulation analysis

U662.9

A

2095-7874（2017）03-0070-05

10.7640/zggwjs201703015

2016-09-13

楊晨（1987— ），男，天津人，碩士，工程師，從事疏浚工程船舶用機(jī)械設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)工作。E-mail：dmuyangchen@163.com