基于ANSYS和EDEM的小麥莖稈切割仿真研究

江 濤， 吳崇友， 湯 慶， 沐森林， 趙輔群

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014； 2.中國(guó)民航局第二研究所，四川成都 610041

我國(guó)是小麥生產(chǎn)大國(guó)，近年來(lái)，隨著秸稈還田的大力推廣實(shí)施，通過(guò)在聯(lián)合收割機(jī)上加裝莖稈切碎裝置將小麥莖稈切碎之后拋灑至田間已成為必不可少的作業(yè)環(huán)節(jié)[1]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有與聯(lián)合收割機(jī)配套的莖稈切碎裝置的刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀具有效切割速度多數(shù)依據(jù)收割機(jī)廠家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)并確定，容易造成功耗增加、刀具使用壽命降低等結(jié)果。由于目前對(duì)切割機(jī)制及莖稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論研究尚有不足，仍然存在秸稈切碎效果不理想、拋撒均勻性差、易堵塞等問(wèn)題。

農(nóng)作物收獲受季節(jié)影響嚴(yán)重，利用仿真軟件輔助機(jī)具設(shè)計(jì)改進(jìn)能夠有效地縮短研發(fā)周期，節(jié)約寶貴的試驗(yàn)時(shí)間，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)切割仿真的相關(guān)研究[2-6]，但是目前的研究大多采用有限元法進(jìn)行分析，而該方法存在1個(gè)弊端，即無(wú)法處理大量莖稈的切割和拋灑問(wèn)題，而離散單元法的思想是通過(guò)將整體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成各個(gè)單元運(yùn)動(dòng)的合成，更加適合仿真模擬數(shù)量龐大、接觸碰撞頻繁且運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜的對(duì)象[7-8]。所以，筆者結(jié)合前人研究并針對(duì)上述問(wèn)題，借助于有限元分析軟件ANSYS和離散元軟件EDEM(Engineering Discrete Element Method)，擬對(duì)小麥莖稈沖擊式無(wú)支撐切割過(guò)程及形式進(jìn)行相關(guān)分析和探討并建立莖稈離散元模型，以期對(duì)為后續(xù)的莖稈群體仿真提供研究基礎(chǔ)，也能夠?yàn)槿谷肼?lián)合收割機(jī)莖稈切碎裝置的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和參考。

1 仿真試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用楊麥17號(hào)小麥品種作為試驗(yàn)對(duì)象，莖稈的力學(xué)特性參數(shù)如下：密度為600 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為600 MPa，剪切模量為45 MPa。刀片材料采用65Mn，力學(xué)特性參數(shù)如下：密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2 060 MPa，剪切模量為80 000 MPa。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本研究將小麥莖稈抽象成連續(xù)、均勻的中空?qǐng)A柱體理想化模型。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得小麥莖稈平均外直徑4.5 mm、平均內(nèi)直徑3.5 mm、壁厚0.5 mm，取莖稈長(zhǎng)100 mm。刀片為光刃直刀，單面磨刃，刀片刃角根據(jù)Chanceller的研究結(jié)果，設(shè)定為20°[9]，刃口半徑設(shè)為0.02 mm，刀片厚度設(shè)為4 mm，所建立的幾何模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)因素及方法

影響莖稈切割的因素較多，本研究主要以切割速度、滑切角及削切角為試驗(yàn)因素[10]，因素水平根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值上下浮動(dòng)選取。分別在有限元軟件ANSYS的顯示動(dòng)力學(xué)模塊Explicit Dynamics和離散元軟件EDEM中進(jìn)行單因素仿真對(duì)比試驗(yàn)，探討各因素對(duì)切割效果及峰值切割力的影響，并對(duì)比2種仿真方法的試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳參數(shù)，建立莖稈離散元模型。試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平

2 仿真對(duì)比試驗(yàn)

2.1 有限元仿真結(jié)果分析

2.1.1 切割速度 刀片與小麥莖稈的切割形式為沖擊式無(wú)支撐正切(滑切角為0°，削切角為0°)，無(wú)重力場(chǎng)，不對(duì)莖稈施加約束，切割速度為40 m/s的切割力曲線及不同切割速度峰值下的切割力分別見(jiàn)圖2和圖3。

根據(jù)仿真結(jié)果，在沖擊式無(wú)支撐切割情況下，峰值切割力隨著切割速度的加快而增大，當(dāng)切割速度達(dá)到60 m/s時(shí)，切割力會(huì)有1個(gè)階躍。雖然更大的切割速度能夠快速切斷莖稈，但是過(guò)大的峰值切割力會(huì)造成動(dòng)力的浪費(fèi)，而當(dāng)速度低于 50 m/s 時(shí)，雖然能夠切斷莖稈，卻會(huì)伴有撕扯現(xiàn)象。因此，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)正切速度設(shè)為50 m/s左右較為合適，既能較好地切斷莖稈，并且適中的峰值切割力也不會(huì)造成動(dòng)力的過(guò)度損耗。

2.1.2 滑切角 滑切角即刀刃上任意一點(diǎn)的切割速度方向與該點(diǎn)處法向方向之間所形成的夾角，也是影響切割力的重要因素之一。設(shè)定切割速度為50 m/s，無(wú)重力場(chǎng)，不對(duì)莖稈施加約束。在滑切角為30°條件下的切割力變化曲線及不同滑切角峰值下的切割力分別見(jiàn)圖4和圖5。

由圖5可知，在30°滑切角下，刀片的峰值切割力為 15.8 N，而當(dāng)速度為50 m/s的正切時(shí)，由圖3可知，刀片的峰值切割力為22.9 N。因此可見(jiàn)，在同等條件下，滑切比正切省力。隨著滑切角的增加，刀片所受的峰值切割力逐漸減小，滑切角在10°～40°區(qū)間時(shí)，峰值切割力呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，當(dāng)滑切角達(dá)到50°時(shí)，峰值切割力有了較為明顯的下降。雖然較低的峰值切割力從動(dòng)力節(jié)省角度來(lái)說(shuō)更優(yōu)，但是從仿真過(guò)程來(lái)看，滑切角過(guò)大，刀片切斷莖稈所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，效率也較低。因此，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)滑切角設(shè)為30°較為合理。

2.1.3 削切角 切碎裝置內(nèi)的切割形式復(fù)雜多變，存在各種形式的切割，削切角即切割刀片的刀刃底面與莖稈橫截面所成夾角(取銳角)。設(shè)切割速度為50 m/s，無(wú)重力場(chǎng)，不對(duì)莖稈施加約束，滑切角為0°。圖6為30°削切角下刀片切割力的變化曲線。

由圖7可知，當(dāng)削切角為20°時(shí)，峰值切割力為18.4 N，而50 m/s切割速度正切的峰值切割力為22.9 N；當(dāng)削切角為30°時(shí)，峰值切割力達(dá)到最大值25.6 N，超過(guò)了正切的峰值切割力(22.9 N)。在所選擇的削切角范圍內(nèi)，峰值切割力沒(méi)有表現(xiàn)出特定的變化規(guī)律，不同削切角所得峰值切割力之間差異不大，對(duì)峰值切割力無(wú)明顯影響，且削切和正切的峰值切割力大小基本相同。

2.2 離散元仿真分析

有限元分析更加側(cè)重于分析物體的形變過(guò)程，適用于單根莖稈的切割受力分析，但是無(wú)法處理大量莖稈的群體切割模擬。而離散單元法把整個(gè)介質(zhì)看成是由一系列離散的運(yùn)動(dòng)顆粒組成的，將各個(gè)單元的運(yùn)動(dòng)和位置變化綜合在一起來(lái)描述整個(gè)介質(zhì)的變形和演化[11]。相關(guān)研究表明[12-14]，在處理莖稈群體問(wèn)題時(shí)，離散單元法將更有優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 莖稈離散元Bonding模型的建立 作為研究莖稈群體的基礎(chǔ)，需要取單根莖稈作為研究對(duì)象，建立基本的莖稈離散元模型。幾何模型仍然采用如圖1所示的中空?qǐng)A柱體，在EDEM中設(shè)置莖稈材料屬性，并用球型顆粒對(duì)莖稈幾何模型進(jìn)行填充，填充后的效果如圖8所示。

在EDEM中，Herts-Mindling with Bonding這一接觸模型可以用來(lái)黏結(jié)各個(gè)球型顆粒，形成可以連接2個(gè)顆粒的黏結(jié)鍵(bonding)鍵，該鍵可以承受切向及法向位移，當(dāng)受到的外力達(dá)到設(shè)定最大法向和切向應(yīng)力時(shí)，bonding鍵斷裂，顆粒間的黏結(jié)效果消失，即可以用來(lái)表征研究對(duì)象受到破壞。

在刀片切割莖稈的過(guò)程中，刀片的峰值切割力對(duì)應(yīng)于來(lái)自莖稈表面對(duì)刀片的最大阻力。同樣的，顆粒間的bonding鍵也會(huì)對(duì)刀片產(chǎn)生阻力，并且會(huì)因?yàn)槭芰^(guò)大而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，以bonding鍵力來(lái)表征莖稈表面韌性，判斷峰值切割力的大小，是用離散單元法模擬分析莖稈切割的關(guān)鍵所在。

2.2.2 Bonding模型參數(shù)標(biāo)定 在Herts-Mindling with Bonding接觸模型中，需要設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，這些參數(shù)決定了bonding鍵的屬性以及鍵力大小，即決定了各個(gè)球型顆粒之間能夠承受的最大法向和切向應(yīng)力。由于目前該研究領(lǐng)域沒(méi)有相關(guān)資料可供參考，因此以“2.1.1”節(jié)利用有限元軟件ANSYS仿真模擬的峰值切割力為參照，在EDEM中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)標(biāo)定。

虛擬標(biāo)定試驗(yàn)所用刀片模型和ANSYS仿真試驗(yàn)保持一致，切割形式仍然采用沖擊式無(wú)支撐正切。選取40 m/s的切割速度作為標(biāo)定水平，在切斷莖稈后輸出峰值切割力進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)二者結(jié)果不斷調(diào)整bonding模型參數(shù)，以達(dá)到最接近的峰值切割力和切割效果，最終的峰值切割力為16.32 N，與ANSYS仿真結(jié)果相近，詳見(jiàn)圖9。Bonding模型參數(shù)及bonding三維模型見(jiàn)圖10。

2.2.3 不同切割速度仿真 以“2.2.2”節(jié)所得Bonding模型參數(shù)分別進(jìn)行切割速度為50、60、70 m/s的沖擊式無(wú)支撐正切仿真，各個(gè)切割速度下的峰值切割力結(jié)果如圖11所示，其中50 m/s切割速度的峰值切割力為19.39 N，60 m/s切割速度的峰值切割力為33.51 N，70 m/s切割速度的峰值切割力為39.44 N。

由圖11可以看出，當(dāng)切割速度為50～70 m/s時(shí)，刀片切割具有bonding鍵力的莖稈離散元模型，峰值切割力數(shù)值與有限元法分析的結(jié)果接近，平均誤差率約為8.6%。當(dāng)切割速度逐漸增大時(shí)，峰值切割力的變化趨勢(shì)與階躍點(diǎn)也保持一致。

上述仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，利用Herts-Mindling with Bonding接觸模型來(lái)建立具有表面韌性的莖稈離散元模型是可行的，能夠體現(xiàn)莖稈在不同切割條件下被切斷時(shí)的峰值切割力，且所建立的莖稈模型可用于后續(xù)的莖稈群體仿真試驗(yàn)。

3 結(jié)論

(1)切割質(zhì)量隨切割速度增大而有所提升，峰值切割力也逐漸變大。峰值切割力隨削切角的變化沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，而隨滑切角的增大而減小，滑切角在50°時(shí)，峰值切割力明顯減小。在同等條件下，切割效果較好且省力的切割形式應(yīng)為切割速度為50 m/s時(shí)的滑切。

(2)利用Herts-Mindling with Bonding接觸模型，根據(jù)有限元仿真結(jié)果標(biāo)定的參數(shù)，建立了莖稈離散元模型并進(jìn)行了不同速度的切割仿真。結(jié)果表明，刀片的峰值切割力與有限元仿真結(jié)果相近，在50、60、70 m/s切割速度下的峰值切割力平均誤差率約為8.6%，且峰值切割力隨切割速度的變化趨勢(shì)保持一致，表明所建立的模型較為準(zhǔn)確。

(3)在模擬單莖稈切割時(shí)，基于離散單元法的仿真同有限元方法相比，所需時(shí)間大幅度減少，且結(jié)果相差不大，仿真效率更高。由于莖稈切割更注重的是動(dòng)力的消耗和整體切割效果，在EDEM軟件中可以直觀地顯示刀軸的扭矩、功耗及最終的切割結(jié)果，并且能更好地體現(xiàn)群體受力以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。因此，采用離散單元法來(lái)模擬莖稈切割的過(guò)程將更合適。

(4)本研究探討的是以有限元仿真結(jié)果為基礎(chǔ)建立的莖稈離散元模型的可行性和準(zhǔn)確性，后續(xù)可以該模型為基礎(chǔ)展開(kāi)群體切割理論研究和仿真試驗(yàn)，并為聯(lián)合收割機(jī)莖稈切碎裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一定的參考依據(jù)。