基于甘蔗切割有限元分析的割臺(tái)工作參數(shù)優(yōu)化

李科 王鳳花 趙亮

摘要：為了研究壟溝甘蔗收割臺(tái)的切割性能，分析割臺(tái)切割器的刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和割臺(tái)前進(jìn)速度對(duì)切割力和切割能耗的影響。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了甘蔗軸向和徑向的剪切模量、彈性模量、泊松比分別為0.59 MPa、8.63 MPa、0.458和4.30 MPa、5.25 MPa、0.419。利用ANSYS/LS_DYNA軟件和物理特性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)甘蔗的切割過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真分析。利用軟件Design-Expert.V8.0.6.1對(duì)有限元仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析、回歸分析和響應(yīng)曲面分析，其分析結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.45 m/s時(shí)，刀盤(pán)傾角14°～23°、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速630～670 r/min為最佳參數(shù)范圍。對(duì)甘蔗進(jìn)行有限元仿真能縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)的成本，為樣機(jī)的設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：甘蔗;割臺(tái);仿真模型建立;有限元仿真;ANSYS/LS_DYNA;響應(yīng)曲面分析;工作參數(shù)優(yōu)化;最佳范圍

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.5+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）11-0257-05

2015年云南甘蔗種植面積達(dá)35.33萬(wàn)hm2，在全國(guó)排名第二。云南多為坡地，并且容易出現(xiàn)干旱現(xiàn)象，導(dǎo)致了甘蔗的減產(chǎn)。因此，云南多地采用深溝板土甘蔗種植方法，即甘蔗種植在壟溝里面[1-3]。目前，壟溝甘蔗收獲方式主要為人工收獲，該方式勞作強(qiáng)度大，收獲成本高，導(dǎo)致增產(chǎn)不增收，并且傳統(tǒng)的收割方式切割器是在壟面上進(jìn)行切割，導(dǎo)致甘蔗留茬過(guò)高，降低了甘蔗的產(chǎn)量。為了提高壟溝甘蔗收獲的機(jī)械化程度，降低收獲成本，根據(jù)壟溝甘蔗種植農(nóng)藝設(shè)計(jì)了一款小型壟溝甘蔗收獲割臺(tái)（圖1）。根據(jù)特殊的作業(yè)環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用圓盤(pán)式切割器，其刀片可以深入到壟溝內(nèi)進(jìn)行切割，降低了甘蔗留茬高度，提高了甘蔗的產(chǎn)量。為了測(cè)試該割臺(tái)切割器的切割性能，以切割力和切割能耗為指標(biāo)，采用有限元虛擬樣機(jī)，可以大大減少成本和縮短試驗(yàn)周期。目前對(duì)圓盤(pán)切割器的研究方向主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，但是未能對(duì)圓盤(pán)切割器切割過(guò)程中刀片與被切對(duì)象之間的相互作用進(jìn)行有效模擬[4-5]。而本研究主要通過(guò)對(duì)甘蔗進(jìn)行物理特性試驗(yàn)得出其在軸向和徑向的剪切模量、彈性模量和泊松比，再通過(guò)ANSYS/LS_DYNA對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行仿真，得出刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度、前進(jìn)速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)切割力和切割能耗的影響[6-10]，利用Design-Expert.V8.0.6.1分析軟件展開(kāi)中心組合試驗(yàn)，進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，得出割臺(tái)工作參數(shù)的最佳范圍，為壟溝甘蔗收獲機(jī)器提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用云蔗03/194為試驗(yàn)對(duì)象，莖稈的平均直徑為36～45 mm，平均含水率為76%，將甘蔗去毛根、去葉，選取甘蔗生

長(zhǎng)在土上的前3節(jié)作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)選取的甘蔗材料徑向和軸向進(jìn)行剪切試驗(yàn);將甘蔗做成長(zhǎng)方形條狀（長(zhǎng)、寬、厚分別為50、15、15 mm）進(jìn)行徑向和軸向的壓縮試驗(yàn)，徑向壓縮試驗(yàn)時(shí)其壓縮方向?yàn)楹穸确较?通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的軸向和徑向的剪切模量和彈性模量求出其2個(gè)方向上的泊松比。

1.3 試驗(yàn)儀器

使用自制的刀片（材料65Mn，厚1.75 mm，高90 mm，刃口長(zhǎng)為70 mm，刀片裝夾邊70 mm，刃口角度為0°）、輔助夾具（夾持直徑為40～60 mm，上下可調(diào)節(jié)5 cm）和伺服材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)ZQ-700（量程為1 kN，傳感器靈敏度為1～40 mV/V）對(duì)甘蔗試驗(yàn)材料進(jìn)行剪切試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)及結(jié)果

如圖2所示對(duì)甘蔗進(jìn)行物理特性試驗(yàn)[11-13]，得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2 仿真模型的建立

2.1 幾何模型的創(chuàng)建以及網(wǎng)格劃分

利用Creo 4.0軟件對(duì)甘蔗進(jìn)行實(shí)體建模之后，導(dǎo)成Hypermesh可讀取的k文件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 其中甘蔗的半徑

為20 mm，為了減少仿真時(shí)的計(jì)算，將甘蔗模型截分為3段，中間段為切割區(qū)。對(duì)切割區(qū)和刀片的網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，其他部位網(wǎng)格適當(dāng)增大，這樣不僅縮短了仿真時(shí)間，同時(shí)也保證了仿真結(jié)果的真實(shí)性。其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 材料模型建立

甘蔗屬于各向異性材料，Hypermesh里提供了MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC各向異性材料模型。根據(jù)表1在材料模型中對(duì)甘蔗模型在x、y、z方向上的彈性模量、剪切模量、泊松比參數(shù)以及密度進(jìn)行設(shè)置（x、y方向上的參數(shù)設(shè)為相同），并將軸向方向選擇參數(shù)AOPT設(shè)為2。

刀片采用3號(hào)MAT_ELASTIC材料模型。甘蔗切割刀片材料為65Mn，密度為6.785×103 kg/m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為0.3。將刀盤(pán)設(shè)置為RIG（剛體）材料。

2.3 加載和接觸定義

由于刀盤(pán)與刀片須要連接在一起完成繞刀盤(pán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿機(jī)器工作方向前進(jìn)，因此須要將刀片與刀盤(pán)進(jìn)行剛熱綁定連接。甘蔗與刀片的接觸采用ANSYS/LS_DYNA中的CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE接觸類(lèi)型。其中將甘蔗模型定義為從接觸體SSID，刀片定義為主接觸體MSID。打開(kāi)ERPSOP侵蝕選項(xiàng)，設(shè)置動(dòng)摩擦因素FD=0.12和靜摩擦因素FS=0.14。給甘蔗添加固定約束，給切割器加載勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，定義切割力和切割能耗輸出結(jié)果曲線(xiàn)。

3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 單因素試驗(yàn)分析

對(duì)刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度3個(gè)因素選取5個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)分析，輸出其切割力與切割能耗的仿真曲線(xiàn)，因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表2所示。如圖4-a所示，由于甘蔗芯部的纖維方向沿軸線(xiàn)方向，當(dāng)纖維被切斷時(shí)會(huì)有振動(dòng)，因此在切割過(guò)程中其能耗曲線(xiàn)會(huì)有擾動(dòng)。如圖4-b所示，當(dāng)?shù)镀懈收崞r(shí)其切割力不斷增大，當(dāng)蔗皮被破壞之后甘蔗芯部的阻力減少，因此切割力會(huì)有短暫的減少，隨著切割直徑的不斷增加，增加到甘蔗的直徑時(shí)，其切割力增加到最大，繼續(xù)切割其切割直徑從最大直徑變?yōu)榱?，因此其切割力也從最大降低到零?/p>

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Excel軟件對(duì)仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從圖5-a可知，最大切割力與切割能耗隨著刀盤(pán)傾角的增大先減少后增大;從圖5-b可知，切割能耗隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大呈先增大后減少再增大再減少的趨勢(shì)，切割能耗隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大;從圖5-c可知，最大切割力隨著前進(jìn)速度的增大呈先減少后增大再減少再增大的趨勢(shì)，切割能耗隨著前進(jìn)速度的增加先減少后增大。

通過(guò)仿真試驗(yàn)得出了切割器刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)最大切割力和切割能耗2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響的變化

趨勢(shì)。綜合考慮最大切割力和切割能耗2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的重要性，結(jié)合其單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定其試驗(yàn)因素范圍，選取其切割器傾角的范圍為10°～25°，切割器轉(zhuǎn)速的范圍為610～688 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度的范圍為0.4～0.5 m/s。

4 切割性能的優(yōu)化分析

4.1 試驗(yàn)方法

為了優(yōu)化割臺(tái)的切割性能，確定其最佳的工作參數(shù)，本仿真試驗(yàn)在其單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件對(duì)最大切割力和切割能耗進(jìn)行分析[14-16]。各因素的取值范圍根據(jù)前面單因素試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行取值，各因素的水平如表3所示。

4.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3 響應(yīng)曲面分析

圖6-a為機(jī)器前進(jìn)速度在0.45 m/s時(shí)，切割器的刀盤(pán)傾角和切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)最大切割力交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)切割器的刀盤(pán)傾角一定時(shí)，最大切割力隨著切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加先減少后增大;當(dāng)切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，最大切割力隨著切割器刀盤(pán)傾角的增大先減少后增大。切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為637.61～660.59 r/min，切割器刀盤(pán)的傾角為15°～19.73°時(shí)，其最大切割力的值較小。圖6-b為切割器轉(zhuǎn)速為649 r/min時(shí)，切割器的刀盤(pán)傾角與機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)最大切割力交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)切割器的刀盤(pán)傾角一定時(shí)，最大切割力隨著機(jī)器前進(jìn)速度的增大先減少后增大;當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度一定時(shí)，最大切割力隨著切割器的刀盤(pán)傾角的增大先減少后增大。切割器的刀盤(pán)傾角為15.27°～21.96°，機(jī)器前進(jìn)速度為0.44～0.46 m/s時(shí)，其最大切割力的值較小。圖6-c為切割器的刀盤(pán)傾角為17.5°時(shí)，切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)最大切割力交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度一定時(shí)，最大切割力隨著切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大先減少后增大;當(dāng)切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，最大切割力隨著機(jī)器前進(jìn)速度的增加先減少后增大。切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為637.61～654.80 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度為0.44～0.46時(shí)，其最大切割力的值較小。

圖7-a為機(jī)器前進(jìn)速度等于0.45 m/s時(shí)，切割器的刀盤(pán)傾角和切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)切割能耗的交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)切割器的刀盤(pán)傾角一定時(shí)，切割能耗隨著切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)切割器的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，切割能耗隨著切割器的刀盤(pán)傾角的增大先減少后增大。切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為631.61～654.80 r/min，切割器的刀盤(pán)傾角為17.5～19.73° 時(shí)，切割能耗較小。圖7-b為切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為649 r/min時(shí)，切割器的刀盤(pán)傾角和機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)切割能耗的交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)機(jī)器的前進(jìn)速度一定時(shí)，切割能耗隨著切割器的刀盤(pán)傾角的增大先減少后增大，當(dāng)切割器的刀盤(pán)傾角一定時(shí)，切割能耗隨著機(jī)器的前進(jìn)速度的增大而增大。機(jī)器的前進(jìn)速度為0.42～0.45 m/s，切割器的刀盤(pán)傾角為15.27～19.73°時(shí)，切割能耗較小。圖7-c為切割器的刀盤(pán)傾角為17.5°時(shí)，切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)切割能耗的交互作用的響應(yīng)曲面圖。當(dāng)機(jī)器的前進(jìn)速度一定時(shí)，切割能耗隨著切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大而增大;當(dāng)切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，切割能耗隨著機(jī)器的前進(jìn)速度增大而增大。機(jī)器的前進(jìn)速度為0.425～0.45 m/s，切割器的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為631.61～649 r/min時(shí)，其切割能耗較小。為了優(yōu)化出切割器工作參數(shù)的最佳范圍，以表4中的切割力平均值為切割力的上限值，切割能耗的平均值為切割能耗的上限值進(jìn)行優(yōu)化分析，得出其優(yōu)化結(jié)果如圖8所示，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為 0.45 m/s 時(shí)，刀盤(pán)傾角為14°～23°，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為630～670 r/min。

5 結(jié)論

本研究利用伺服材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、自制刀片和輔助夾具對(duì)甘蔗進(jìn)行了物理特性試驗(yàn)，得出了其軸向和徑向的剪切模量、彈性模量和泊松比;根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得甘蔗物理特性參數(shù)數(shù)據(jù)，并利用LS_DYNA軟件對(duì)甘蔗切割過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到其切割力和切割能耗;進(jìn)行單因素試驗(yàn)得到3個(gè)因素的工作范圍分別為刀盤(pán)傾角10°～25°，切割器轉(zhuǎn)速610～688 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度0.4～0.5 m/s;對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，并進(jìn)行方差分析、回歸分析和響應(yīng)曲面分析，得到了刀盤(pán)傾角、切割器轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度對(duì)切割力和切割能耗的顯著性影響以及這3個(gè)工作參數(shù)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的回歸方程，對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析得到了各因素的交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，通過(guò)優(yōu)化分析得出，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.45 m/s時(shí)，刀盤(pán)傾角 14°～23°、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速630～670 r/min為最佳參數(shù)范圍。

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