基于Workbench LS-dyna的花生莢果脫殼受力仿真研究

張遠(yuǎn)東王東偉何曉寧尚書旗石智文張春曉李冬杰左百?gòu)?qiáng)

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

中國(guó)是世界花生生產(chǎn)大國(guó),播種面積僅次于印度,居全球第二位,而總產(chǎn)量、總消費(fèi)量和出口量均居世界首位[1]?；ㄉ俏覈?guó)食用油來源之一,總產(chǎn)、單產(chǎn)和出口量一直位居油料作物之首[2],其重要性不言而喻?；ㄉ鳛橹匾慕?jīng)濟(jì)作物和油料作物,無論是直接使用,還是進(jìn)一步將其加工成各種產(chǎn)品,都需要對(duì)花生果進(jìn)行脫殼,脫殼是花生發(fā)揮其重要價(jià)值必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。在對(duì)花生莢果機(jī)械脫殼和清選過程中,因力學(xué)特性而產(chǎn)生的損傷較大,容易出現(xiàn)花生仁破損或者隱性損傷,只能用于榨油和食用加工,而不適合種用[5-6],且因?yàn)橥暾姆N皮遭到破壞,易導(dǎo)致花生仁脫脂、霉變,產(chǎn)生黃曲霉毒素[7-8]。因此,研究花生莢果的力學(xué)特性十分必要。

近年來,為了進(jìn)一步降低花生莢果脫殼過程中花生籽仁的破損率,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)花生莢果的物理特性、力學(xué)特性以及損傷機(jī)理進(jìn)行了深入研究。楊亞洲等以海花1號(hào)為研究對(duì)象,對(duì)花生仁進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn),分析花生仁的壓縮特性和剪切特性[9];丁彬等以三種不同果型的花生莢果為試驗(yàn)對(duì)象,研究不同含水量下對(duì)機(jī)械脫殼的影響[10];王京等研究花生品種、受力位置對(duì)花生莢果損傷力學(xué)特性的影響,并對(duì)花生仁建模后進(jìn)行有限元仿真分析,研究了花生仁的靜壓力學(xué)特性[11];侯俊銘等對(duì)花生莢果進(jìn)行建模并進(jìn)行有限元仿真,分析花生莢果的破殼力和變形量[12];Fasina等通過模具將花生殼制成顆粒,測(cè)量顆粒的水分含量變化,建立GAB模型研究花生殼顆粒物理特性[13];Guezel等以多種不同的表面接觸材料為研究對(duì)象分析花生莢果在脫殼時(shí)的脫殼壓力[14]。綜上所述,目前對(duì)花生莢果脫殼的研究取得了一定的成果,但是對(duì)于花生莢果的有限元仿真方面,尚且缺乏一定的研究。

本文采用Workbench中的LS-dyna模塊仿真分析花生莢果脫殼的動(dòng)態(tài)過程,對(duì)花生莢果脫殼瞬時(shí)受力進(jìn)行分析,為花生脫殼機(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)提供技術(shù)參考和理論依據(jù),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。

1 仿真模型的建立

1.1 花生莢果基本物理參數(shù)試驗(yàn)與設(shè)定

以山東膠州試驗(yàn)田主要種植的宇花14號(hào)為研究對(duì)象,具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。隨機(jī)選取2021年9月收獲的花生莢果500個(gè),使用游標(biāo)卡尺對(duì)花生莢果三軸尺寸(圖1)進(jìn)行測(cè)量,所得花生莢果樣本的尺寸范圍:長(zhǎng)度(l)區(qū)間(27.15 mm,35.36 mm),寬度(w)區(qū)間(10.54 mm,15.56 mm),厚度(t)區(qū)間(12.68 mm,28.27 mm)。分別取三軸尺寸的平均值作為花生莢果模型的三軸尺寸31.25 mm×13.05 mm×20.47 mm。

表1 花生莢果材料參數(shù)Table 1 Material physical parameters of peanut pod

圖1 花生莢果三軸尺寸Fig.1 The triaxial dimensions of peanut pod

花生脫殼效果與含水率有關(guān),查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10]得到花生莢果在含水率為18%時(shí)脫殼效果較好,通過物相分析儀控制花生莢果含水率為18%,求得此時(shí)花生莢果剪切模量為7.2×107Pa,泊松比為0.35,密度為400 kg·m-3。花生莢果彈性模量可以根據(jù)泊松比和剪切模量的關(guān)系近似求出,如式(1)所示。

式中:T為花生莢果剪切模量/Pa;E為彈性模量/Pa;λ為泊松比。

抗壓強(qiáng)度為花生莢果在受壓破裂時(shí)的極限應(yīng)力,可由式(2)求出:

式中:σbc為花生莢果抗壓強(qiáng)/MPa;Fmax為花生莢果壓縮極限載荷/N;A為壓縮接觸截面面積/mm2。

1.2 花生莢果模型的建立

花生殼是一種均質(zhì)材料,為了理論分析與仿真模擬,將模型看作各向同性的線彈性材料。本文以宇花14號(hào)花生為研究對(duì)象,根據(jù)三軸尺寸(見表1)經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化,在三維制圖軟件Solidworks中建立單個(gè)花生莢果的三維仿真模型,如圖2所示。

圖2 花生莢果三維模型Fig.2 3D model of peanut pod

1.3 花生莢果力學(xué)分析

脫殼滾筒和凹板篩是整個(gè)花生脫殼機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。脫殼滾筒和凹板篩之間形成的弧形空腔組成花生脫殼室,通過調(diào)整脫殼滾筒軸的位置調(diào)節(jié)脫殼室間隙,以適應(yīng)不同花生莢果脫殼作業(yè)的需求。在進(jìn)行脫殼作業(yè)時(shí),脫殼滾筒由變速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),花生莢果從漏斗喂入,進(jìn)入脫殼腔中,經(jīng)過脫殼滾筒與凹板篩的擊打擠壓實(shí)現(xiàn)花生脫殼工作,花生莢果受力情況如圖3所示。

圖3 花生莢果受力分析Fig.3 Stress analysis of peanut pod

根據(jù)圖3花生莢果受力關(guān)系可知:

式(5)中:m為花生莢果質(zhì)量/kg;g為重力加速度/(m·s-2)。

由式(3)、(4)分析可知,花生莢果受力與花生莢果所處脫殼腔位置及此時(shí)脫殼間隙有關(guān)。在花生莢果受力分析中,花生莢果所受滾筒打擊力F2與脫殼滾筒轉(zhuǎn)速有關(guān),脫殼滾筒轉(zhuǎn)速越大,對(duì)花生莢果的打擊力越大,花生莢果所受摩擦力也越大,越有利于脫殼作業(yè),但是轉(zhuǎn)速越大,對(duì)花生果仁的破壞越大,因此滾筒轉(zhuǎn)速不能過大,結(jié)合前期花生脫殼樣機(jī)試驗(yàn)確定滾筒轉(zhuǎn)速范圍150~400 r/min。

1.4 花生莢果脫殼機(jī)構(gòu)模型的建立

本文采用滾筒凹板篩式花生脫殼機(jī)構(gòu)為試驗(yàn)樣機(jī),使用三維制圖軟件Solidworks進(jìn)行建模,脫殼滾筒模型簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 花生莢果脫殼機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Peanut pod shelling structure diagram

1.5 花生莢果碰撞模型的建立

如果將整個(gè)花生脫殼機(jī)構(gòu)建模作為單個(gè)花生莢果碰撞模型,會(huì)增加整個(gè)仿真的復(fù)雜性;由于花生莢果體積相對(duì)脫殼套筒來說較小,接觸面積較小,因此只需要仿真模擬單個(gè)打板工作。所以,本文將花生莢果碰撞模型簡(jiǎn)化為單個(gè)花生莢果與單個(gè)打板的仿真模擬。分別設(shè)置三種花生碰撞方式(頂面、正面、側(cè)面)的仿真,模型如圖5所示。

圖5 花生莢果不同碰撞方式仿真模型Fig.5 Peanut pod simulation model of different collision modes

2 花生莢果碰撞仿真模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

使用Hyperworks前處理軟件Hypermesh對(duì)碰撞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,仿真模型網(wǎng)格總數(shù)量為28 041,其中,套筒網(wǎng)格數(shù)12 413,花生莢果網(wǎng)格數(shù)為15 628,網(wǎng)格劃分后模型如圖6所示。

圖6 仿真模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Drawing grid with simulation model

2.2 仿真程序設(shè)定

在Hypermesh劃分完網(wǎng)格之后將文件導(dǎo)入Workbench LS-dyna模塊進(jìn)行碰撞仿真,在LS-dyna中設(shè)定模型的材料屬性,并分別賦予花生莢果和打板;為模擬花生莢果在沖擊載荷下的受力情況,將套筒設(shè)三個(gè)恒定轉(zhuǎn)速:190、200、210 r/min,對(duì)花生莢果底部添加固定約束;本試驗(yàn)仿真相對(duì)簡(jiǎn)單,只需設(shè)置花生莢果脫殼工作碰撞時(shí)接觸部分的面與面接觸及各部件的自接觸,在LS-dyna設(shè)置Surface to Surface和Single Surface兩種接觸。最后設(shè)定仿真時(shí)間1 ms,輸出接觸力、定向變形、質(zhì)量能等。

3 花生莢果碰撞仿真模擬結(jié)果及分析

對(duì)打板施加不同轉(zhuǎn)速(190、200、210 r/min)時(shí),分別打擊莢果不同位置(正面、頂面、側(cè)面),此時(shí)花生莢果不同受力情況隨碰撞時(shí)間變化折線圖見圖7。圖7中,(a)、(b)、(c)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí)花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況,(d)、(e)、(f)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況,(g)、(h)、(i)三圖分別代表轉(zhuǎn)速為210 r/min時(shí)花生莢果正面、側(cè)面、頂面受力情況。圖7可看出:在打板擊打花生莢果的過程中,在二者接觸瞬間花生莢果表面開始受到?jīng)_擊力,經(jīng)過一段時(shí)間,花生莢果受力開始增加直到最大值,緊接著花生莢果變形越來越大,阻礙所受沖擊力的作用,此時(shí)打擊力逐漸變小。不同條件下花生莢果所受最大打擊力的時(shí)間及此時(shí)作用力的數(shù)值如表2所示。

圖7 花生莢果不同受力情況Fig.7 Different stress conditions of peanut pod

表2 花生莢果所受最大打擊力Table 2 Maximum strike force impact on peanut pod

由表2可知,不同轉(zhuǎn)速、不同受力位置下花生莢果受力最大的時(shí)間點(diǎn)不同,這是由于在前期建模時(shí)打板和花生莢果的初始距離不一致所導(dǎo)致,但是并不會(huì)影響到最終結(jié)果。結(jié)合圖7,可見折線圖中同樣存在一段受力為零的時(shí)間段,這一段時(shí)間為打板運(yùn)動(dòng)至與花生莢果表面接觸,從而導(dǎo)致不同條件下花生莢果最大受力時(shí)間點(diǎn)的不同。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加,花生莢果正面、側(cè)面、頂面三個(gè)位置受力逐漸增大。在保證打擊位置一定的條件下,滾筒打板轉(zhuǎn)速越大,花生莢果所受到的打擊力越大;在保證轉(zhuǎn)速一定的條件下,花生莢果頂面部位受力最小,側(cè)面部位受力最大,正面部位受力介于二者之間。這是因?yàn)楫?dāng)花生莢果受滾筒打板擊打時(shí),側(cè)面相對(duì)于頂面和正面較厚且接觸面積最大,阻擋滾筒打板擊打能力較強(qiáng)。仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符合,結(jié)果真實(shí)可靠。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)儀器為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)材料為山東膠州青島農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地種植的高油花生新品種宇花14號(hào)。使用谷物紅外水分測(cè)定儀測(cè)定花生莢果的含水率,取(18±0.3)%的花生莢果進(jìn)行試驗(yàn)。分別對(duì)花生莢果正面、側(cè)面、頂面進(jìn)行三組壓縮試驗(yàn),每組重復(fù)10次,以2 mm/min為加載速度,試驗(yàn)過程如圖8所示。

圖8 三向壓縮試驗(yàn)Fig.8 Triaxial compression test

為減小誤差,計(jì)算機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果,取平均值,圖9分別為花生莢果三個(gè)位置受壓縮時(shí)載荷—位移變化曲線?？芍?花生莢果三個(gè)位置受壓縮實(shí)現(xiàn)破殼時(shí),側(cè)面受力最大,臨界破裂載荷近似于54 N,頂面受力最小,臨界破裂載荷近似于17 N,正面受力介于二者之間,臨界破裂載荷近似于36 N。可以看出,當(dāng)花生莢果受到臨界載荷達(dá)到最大值時(shí),載荷—位移曲線發(fā)生突變,此時(shí)花生莢果殼發(fā)生破裂。相比LS-dyna仿真結(jié)果,壓縮試驗(yàn)得出三位置受力結(jié)果偏小,這與速度大小有關(guān),結(jié)果可靠。

圖9 載荷—位移變化曲線Fig.9 Loading-displacement variation curves

5 結(jié) 論

①以滾筒凹板篩式花生脫殼機(jī)為試驗(yàn)研究對(duì)象,采用Workbench中LS-dyna碰撞有限元分析模塊對(duì)花生莢果脫殼過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬,相比較Workbench靜力學(xué)仿真更加具有真實(shí)性與準(zhǔn)確性,降低了傳統(tǒng)試驗(yàn)研究的成本。

②本研究使用Solidworks三維制圖軟件建立仿真模型,通過單因素試驗(yàn)法進(jìn)行碰撞有限元分析,得到不同轉(zhuǎn)速、不同擊打位置時(shí)花生莢果脫殼受力情況。

③ 通過仿真試驗(yàn)得到:轉(zhuǎn)速一定的情況下,花生莢果不同位置所受到的擊打力大小不同,其中,花生莢果頂面受力最小,側(cè)面受力最大;在受力位置一定的情況下,隨著脫殼滾筒轉(zhuǎn)速增加,每個(gè)位置所受到的擊打力也會(huì)逐漸增大。