基于有限元沙柳切割過程數(shù)值模擬和工作參數(shù)優(yōu)化

裴承慧，李 妥，劉志剛，孫玉康，鄒德健

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051)

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基于有限元沙柳切割過程數(shù)值模擬和工作參數(shù)優(yōu)化

裴承慧，李 妥，劉志剛，孫玉康，鄒德健

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051)

針對圓盤式灌木平茬機(jī)作業(yè)時岔口質(zhì)量差、刀具磨損嚴(yán)重的問題，提出了利用ABAQUS軟件對沙柳平茬過程進(jìn)行動態(tài)模擬仿真優(yōu)化工作參數(shù)的方法；構(gòu)建了沙柳三維切削模型，得到了切削過程中沙柳及圓盤鋸片的應(yīng)力變化情況，分析了應(yīng)力變化的原因。通過雙因素實(shí)驗(yàn)法，確定了切削參數(shù)中進(jìn)給速度對切削力的影響最大，得出了圓盤鋸片的最佳切削參數(shù)組合為切削速度60m/s、進(jìn)給速度350mm/s。田間試驗(yàn)表明：9GZ-1.0型自走式灌木平茬機(jī)在切削速度為60m/s、進(jìn)給速度350mm/s時，每10min切削量為153.2kg，漏割率為0.08，切割效果最好，與模擬切削得到的結(jié)果基本相符。

沙柳切割；ABAQUS；數(shù)值模擬；參數(shù)優(yōu)化；有限元

0 引言

沙柳作為沙生灌木植被系統(tǒng)中的典型代表，是我國西北部防風(fēng)固沙、治理沙化的主要植物。沙柳具有平茬復(fù)壯的特性，而切割是沙柳平茬復(fù)壯作業(yè)的重要環(huán)節(jié)[1]。在實(shí)際的平茬作業(yè)中，由于工作參數(shù)的不合理選擇會導(dǎo)致斷面出現(xiàn)毛茬、撕裂和灼傷的現(xiàn)象，大大降低了平茬后沙柳的復(fù)壯效果?，F(xiàn)階段對灌木平茬機(jī)工作參數(shù)的研究大多采用田間試驗(yàn)的方法[2]，但是由于田間試驗(yàn)受到平茬季節(jié)、天氣和工作量等多種因素的限制，優(yōu)化的效果并不如人意。因此，采用數(shù)值模擬的方法對灌木平茬機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際的平茬作業(yè)提供了依據(jù)，具有重要的理論意義和實(shí)際價值。

本文以中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院呼和浩特分院研制的9GZ-1.0型自走式灌木平茬機(jī)為基礎(chǔ)，建立了沙柳切割的有限元模型，并利用ABAQUS軟件對沙柳的切割過程進(jìn)行了模擬，得到了在切削過程中切削力的變化情況。最后，分析了切削速度和進(jìn)給速度對切削力的影響，并通過雙因素實(shí)驗(yàn)法給出了最優(yōu)的切削速度和進(jìn)給速度的組合。

1 沙柳材本構(gòu)模型的建立

木材是一種天然的生物資源，木材的組織構(gòu)造決定了它的非均質(zhì)性與各向異性。各向異性距髓心一定距離處切去一小塊矩形試樣，并要求其有一對稱平面切于年輪，則試樣具有3個對稱軸—平行于縱向的L軸、平行于徑向的R軸、平行于弦向的T軸，L、R、T這3個方向的物理特性各不相同，如圖1所示。

圖1 木材的彈性主軸和平面

正交各向異性體的柔性矩陣表述為[3]

其中，S11=1/EL、S12=-μRL/ER、S13=-μLL/ET、S21=-μLR/EL、S22=1/ER、S23=-μLR/ET、S31=-μLR/EL、S32=-μLR/ER、S33=1/ET、S44=1/GRT、S55=1/GLL、S66=1/GLR。將S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32、S33、S44、S55、S66帶入柔性矩陣得

參照木材物理力學(xué)試材采集方法GBT1927-1991[4]，于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市托克托縣境內(nèi)采集式樣，對試樣進(jìn)行加工后，利用電測法對沙柳的12個彈性參數(shù)進(jìn)行測量[5]，結(jié)果如表1所示。

表1 沙柳材彈性常數(shù)

μTRμRTμRLGRTGTLGLR0.3340.7390.05344.17516.8670.4

將測量得到的沙柳材根莖彈性常數(shù)帶入上述矩陣，得到沙柳材的本構(gòu)模型為

[S]=

2 切削三維模型的建立

根據(jù)沙柳材在沙漠中的生長情況與外形特點(diǎn)，將沙柳的幾何形狀簡化為直徑為30mm、高度250mm的圓柱；切割器以中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院所研制的9GZ-1.0型多功能自走式灌木平茬收割機(jī)的圓盤鋸片為原型，其主要參數(shù)如表2所示，建好的圓鋸片三維模型如圖2所示。

表2 圓鋸片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

隨后對建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]。沙柳材圓形截面網(wǎng)格劃分采用“銅錢”分割法，在與刀尖接觸關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格加密劃分，效果如圖3所示。

圖2 圓鋸片的三維建模

圖3 網(wǎng)格劃分完成圖

3 沙柳材的模擬切削及結(jié)果分析

圓鋸片鋸切過程是一個非常復(fù)雜的非線性過程，對這個過程進(jìn)行有限元分析要考慮多方面的因素。為了便于分析，在構(gòu)建鋸切模型時結(jié)合實(shí)際情況對仿真模型進(jìn)行如下簡化：

1)以單根沙柳為建模對象，不考慮沙柳間的相互牽連；

2)把沙柳理想化成等截面圓柱形直桿，把沙土對沙柳的約束視為一懸臂梁約束，且沙柳軸心線垂直于地面，重力作用線與軸心重合；

3)忽略鋸片切割過程中所產(chǎn)生的振動對圓盤鋸片工作的影響，將圓盤鋸片與軸連接的通孔省略。

在ABAQUS中劃分好網(wǎng)格的圓盤刀具與沙柳材進(jìn)行裝配。設(shè)定圓盤形鋸片進(jìn)給速度為340mm/s，轉(zhuǎn)速1 910r/min，并進(jìn)行模擬切削[7]。

模擬切削完成后，提取刀具與沙柳的應(yīng)力云圖，如圖4所示。由圖4可以看出：傳遞的應(yīng)力主要分布在與圓形鋸片接觸較近的部分區(qū)域，在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大應(yīng)力。這是因?yàn)樵谏沉c鋸片接觸的地方，鋸片給沙柳一個較大的沖擊力，這個沖擊力使沙柳發(fā)生破壞，造成應(yīng)力集中。隨著切削的進(jìn)行，鋸齒進(jìn)一步作用于沙柳材，沙柳材由彈性變形階段轉(zhuǎn)入塑性變形階段；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到沙柳材最大破壞應(yīng)力時，沙柳材失效，被切割破壞，網(wǎng)格脫落消失。在切割破壞附近區(qū)域，應(yīng)力值約為80～130MPa，被破壞前瞬時應(yīng)力值最大達(dá)到200MPa左右，而在距離切割平面10mm以外，沙柳材上應(yīng)力很小。

圖4 鋸片與沙柳的應(yīng)力云圖

利用ABAQUS后處理模塊，提取出圓盤鋸片的水平切削力Fx與切削力Fy的合力FΣ隨時間變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知：圓盤刀切削沙柳材的仿真過程分為穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)兩個過程。在圓盤鋸片與沙柳材初始接觸時，刀具切入沙柳，隨著鋸片在水平方向的移動，使鋸片與沙柳材的接觸面積增大，切削力的值也從零開始也隨之變大；初始接觸階段沙柳材處于彈性變形階段，切削力為鋸片克服沙柳材料的彈性變形做功，即為非穩(wěn)態(tài)過程；之后圓盤鋸片與沙柳材的接觸面積持續(xù)增大，沙柳材料發(fā)生屈服，開始進(jìn)入塑性變形階段，此時圓盤鋸片需要克服沙柳材料的塑性變形和鋸片與沙柳材之間的摩擦力做功，產(chǎn)生切削熱，其中一部分傳遞到沙柳材中，使之軟化，從而造成切削力有所下降。這一過程切削力改變數(shù)值不明顯，僅產(chǎn)生很小的起伏動蕩，為穩(wěn)態(tài)過程。

圖5 合力FΣ隨試件變化曲線

4 切削參數(shù)的優(yōu)化

4.1 切削參數(shù)的雙因素實(shí)驗(yàn)

切削力的大小直接影響刀具的磨損與破損程度，是決定刀具使用壽命長短的重要因素。現(xiàn)通過改變圓盤鋸片的切削參數(shù)，在ABAQUS軟件中仿真計算求出切削力大小，并與現(xiàn)有切削參數(shù)進(jìn)行對比，尋求最佳參數(shù)組合[8]。

對于切削速度的選擇，目前國內(nèi)灌木收割機(jī)械使用的切削速度一般都在50m/s[9]左右波動，國外灌木收割機(jī)械使用的切削速度相較于國內(nèi)數(shù)值較高，有的切削速度甚至超過了90m/s；但相對而言，機(jī)器的高轉(zhuǎn)速對整機(jī)的動力裝置、傳動裝置及鋸片材質(zhì)也會有較高的要求，同時噪聲、振動問題也是一大難點(diǎn)，國內(nèi)的研究技術(shù)目前還達(dá)不到。因此，本文在有限元模擬中，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與要求，選取切削速度為40、50、60m/s這3個水平，記為因素A，進(jìn)給速度為300、350、400mm/s這3個水平，記為因素B。

采用雙因素實(shí)驗(yàn)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為切削力FΣ。為判定切削參數(shù)對切削力影響的主次關(guān)系，對模擬出來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析[10]。切削參數(shù)在同一水平的總和記為Ki(i=1,2,3)，極差R=max(Ki)-min(Ki)。極差R的數(shù)值越大，表明該參數(shù)對切削力數(shù)值影響越大。實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合及切削力模擬結(jié)果如表3所示，切削力雙因素實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果如表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合及模擬結(jié)果

續(xù)表3

表4 無重復(fù)雙因素方差分析

表4中，切削速度FA=15.14481>F0.05(2，4)=6.94427，表明切削速度不同，其切削力有顯著差異；進(jìn)給速度FB=59.03595>F0.05(2,4)=6.94427，表明進(jìn)給速度不同，其切削力有極顯著差異。結(jié)合極差R的計算結(jié)果來看(3.94>1.55)，切削參數(shù)中對切削力FΣ的影響因素的主次關(guān)系為：進(jìn)給速度為主因，切削速度為次因，即切削參數(shù)中的進(jìn)給速度對切削力的影響要大。

根據(jù)仿真模擬得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出雙因素水平對切削力FΣ的影響趨勢，如圖6、圖7所示。

圖6 進(jìn)給速度對切削力的影響曲線

圖7 切削速度對切削力的影響曲線

4.2 進(jìn)給速度的選擇

由圖6可以看出：隨著進(jìn)給速度增加，切削力隨之增大。觀察曲線的增長趨勢，進(jìn)給速度與切削力的關(guān)系在線段B點(diǎn)(350mm/s)附近發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，且BC的斜率要大于AB的斜率。選擇A點(diǎn)作為進(jìn)給速度，雖然切削力數(shù)值最小，但是其進(jìn)給速度低，單位時間內(nèi)不能保證足夠的灌木切削量，使得切削效率不高；選擇C點(diǎn)作為進(jìn)給速度，切削力太大，造成鋸片的嚴(yán)重磨損，影響刀具壽命。因此，為了保證切削效率，進(jìn)給速度應(yīng)該選擇在B點(diǎn)350mm/s這一水平。

4.3 切削速度的選擇

通過切削速度對切削合力FΣ的影響趨勢圖(見圖7)可以看出：隨著切削速度的增大，切削力隨之減小，但是影響并不大，基本呈線性。在理論上，切削速度對加工效率是沒有影響的。切削速度大時，會使切削力降低，單位時間切削沙柳數(shù)量會增多，增大切削效率；但是切削速度增大，會使刀具磨損加快，更換刀具次數(shù)也會增多，從而使切削效率降下來。因此，綜合考慮切削效率以及刀具的磨損，選擇切削切削速度為60m/s這一水平。

經(jīng)過上述分析可知：在當(dāng)前切削條件下，切削參數(shù)的最佳組合為切削速度60m/s、進(jìn)給速度350mm/s。當(dāng)以此組合切削參數(shù)作為工作參數(shù)時，圓盤鋸片的切削效果最佳。

5 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化得到的灌木平茬機(jī)工作條件的正確性進(jìn)行了田間試驗(yàn)。2014年3月，采用中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院呼和浩特分院研發(fā)的9GZ-1.0型自走式灌木平茬機(jī)在烏蘭壕進(jìn)行了田間試驗(yàn)[11]。

5.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)庫布齊沙漠進(jìn)行，試驗(yàn)選用沙柳的密度68～124株/叢，根部直徑10～40mm，最大自然高度4. 5m，沙柳枝條平均鮮重450g/株，沙柳叢根部沙丘底圓直徑700～1 000mm，高100～150mm，叢距1.5m，行距6m。記錄下每10min平茬沙柳的質(zhì)量和漏割率[12]，結(jié)果如表5所示。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表5可以看出：試驗(yàn)結(jié)果和模擬切削的基本相符。在相同的切削速度下，每10min切削沙柳的質(zhì)量隨著進(jìn)給速度的增加而增加，在相同的進(jìn)給速度下每10min切削沙柳的質(zhì)量會隨著切削速度的增加而降低。但是，過高的進(jìn)給速度會到導(dǎo)致圓鋸片的磨損加快，從而導(dǎo)致漏割率的增大。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

圖8所示為切削速度為40m/s、進(jìn)給速度為400mm/s圓鋸片的磨損情況。從圖8中可以看出，鋸片收到了嚴(yán)重的磨損。綜合考慮工作效率漏割率兩方面的因素，確定切削速度為60m/s、進(jìn)給速度為350mm/s為最優(yōu)的工作參數(shù)，與通過模擬得到的最優(yōu)工作參數(shù)相同。

圖8 磨損的圓鋸片

圖9為灌木平茬機(jī)在最優(yōu)工作條件下平茬效果。圖10為2014年4月即實(shí)驗(yàn)結(jié)束1個月后沙柳的復(fù)壯情況。從圖9和圖10中可以看出，沙柳平茬效果和復(fù)壯效果都比較理想。

圖9 平茬效果

圖10 沙柳復(fù)壯效果

6 結(jié)論

1)通過電測法測出了沙柳的9個彈性常數(shù)，并建立了沙柳材的本構(gòu)模型，為研究沙柳的切削奠定了一定的基礎(chǔ)。

2)通過雙因素實(shí)驗(yàn)法，結(jié)合得到的切削力變化曲線對切削速度和進(jìn)給量進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著切削速度的提高，切削力隨之減??；隨著增大進(jìn)給速度，切削力也隨之增大；切削參數(shù)中對切削力FΣ的影響因素的主次關(guān)系為：進(jìn)給速度為主因，切削速度為次因。通過對切削力曲線的分析及綜合考慮切削效率的影響，得到了圓盤鋸片的最佳切削參數(shù)組合為：切削速度60m/s，進(jìn)給速度350mm/s。

3)通過田間試驗(yàn)得出切削速度為60m/s、進(jìn)給速度為350mm/s時，切削效果最佳，與模擬切削得到的

結(jié)論一致，同時也驗(yàn)證了模擬切削方法的正確性。

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Numerical Simulation and Working Parameters Optimization of Salix Cutting Process Based on FEA

Pei Chenghui, Li Tuo, Liu Zhigang, Sun Yukang, Zou Dejian

(Inner Mongolia University of Technology Mechanics Institute, Hohhot 010051， China)

When the disc bush stumping machine is operating, the fork’s quality is poor and tool wears seriously. It is proposed using of ABAQUS software simulates the Salix stumping dynamic process and optimizates work parameters. Build the Salix three-dimensional cutting model; Get the stress disc blade changes when cutting process Salix; Analyzes the reasons of the stress change; The feed speed affect the cutting force more heavily than cutting speed and the optimum combination disc blade cutting parameters are cutting speed 60m/s and feed speed 350mm/s. Finally, field tests verified the 9GZ-1.0-type self-propelled bush stumping machine at cutting speed of 60m/s, feed speed 350mm/s, cut the amount of 153.2kg every ten minutes. The leakage rate ois0.08 cutting, same with the cutting simulation results.

salix stumping； ABAQUS； numerical simulation; parameters optimization；FEA

2016-08-19

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015MS0506)；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(ZD201501)

裴承慧(1979-)，女，呼和浩特人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) peichh@126.com。

劉志剛(1975-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lzhg2008@126.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0082-06