基于hyperpm的稻谷三維有限元模型的建立

基于hyperpm的稻谷三維有限元模型的建立

0稻米碰撞損傷的物理特征水稻進入脫?？臻g后，通過脫粒元的作用，水稻從水稻穗上脫下，形成自由粒，進行脫粒。在中國廣泛應用釘齒滾筒的沖擊脫粒是水稻谷粒(以下簡稱稻谷)破碎和損傷的主要源頭。有損傷的稻谷種子發(fā)芽率低、易生蟲、霉變,干燥時易爆腰和加工時碎米增多,直接影響其經濟價值和出口競爭力。以應力裂紋為主要型式的稻谷內部損傷比較隱蔽,相關研究沒有得到足夠的重視。目前國內外關于水稻脫粒損傷以試驗研究為主,如Mitchell和Rounthwaite通過試驗發(fā)現(xiàn):濕度提高時,破碎率減少;打擊速度增加時破碎率則成比例增加。有的學者提出用裝有梳刷柔性齒的橡膠滾筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制滾筒,延長脫粒時間,試驗證明對水稻、小麥有一定的適應性。上述研究缺少對脫粒元件和谷粒間作用過程的分析,無法揭示稻谷碰撞損傷的機理。本文通過構建稻谷與脫粒元件的有限元模型,從接觸碰撞的角度,分析稻谷與脫粒元件碰撞過程中內部應力的變化,通過有限元分析獲得其碰撞損傷臨界速度,為揭示稻谷脫粒損傷機理以及脫粒裝置的優(yōu)化設計等提供依據。1元模型的構建1.1糙米殼和稻殼與糙米間的相互關系有限元分析時可將稻谷看作為具有3層結構的橢球體,外層為稻殼,里面為糙米,糙米外層為籽實皮,其余部分為胚乳,如圖1所示。稻殼與糙米之間,看作可相互移動(破殼)的有摩擦接觸。本文以武粳15稻谷的實際測量平均值為例進行建模(長度L=5.983mm,厚度H=3.541mm,寬度B=2.512mm,稻殼厚0.030mm,籽實皮厚0.050mm)。1.2材料單元的設置將生成的模型保存為Iges格式,導入到HyperMesh中建立稻谷的有限元模型。稻殼為等厚度獨立薄殼,取其單元類型為Shell163。Shelll63是一個用于顯式動力學分析4節(jié)點薄殼單元,具有彎曲和膜特征,可加平面和法向載荷,默認算法為Belytschko—Tsay單點積分的殼單元算法。籽實皮和胚乳物理結構上是融為一體的,有限元分析時看作節(jié)點相連,取其單元為Solidl64。之所以將糙米分成籽實皮和胚乳2部分,主要是依據其力學特性不同,可方便設置其彈性模量、屈服強度等參數(shù)。實體單元Solidl64是用于三維顯式結構實體單元,由8個節(jié)點構成,默認為單點積分算法,也可以在單元屬性設置對話框中設置為全積分單元算法,這可以避免沙漏問題,但是計算時間將會增加數(shù)倍。同樣將脫粒元件的單元類型設為Solidl64。設置正確合理的材料屬性和單元類型是進行CAE仿真分析的前提,在HyperMesh中可通過任意頁面下的collectors/creat/mats來創(chuàng)建、存儲和管理材料的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。需要注意的是HyperMesh中常用的長度單位為mm,時間單位為s,質量單位為t,應力、彈性模量單位為MPa。將稻殼、籽實皮和胚乳均視為各向同性的線性彈性體,稻谷相關材料屬性如表1所示。1.3維網格檢測網格密度分布也是重要的影響因素之一。為了保證CAE模型的質量,在使用HyperMesh劃分網格的過程中,尤其是在由二維網格生成三維網格之前,要隨時使用Tool/checkelems/2-d菜單來檢查二維網格質量,對于檢測到的形態(tài)不是很好的單元,可以先對其保存,然后通過2D/qualityindex/optimiz進行優(yōu)化處理,或通過editelements菜單中的工具進行手工局部調整。稻殼、籽實皮、胚乳的有限元網格劃分如圖2所示,其中稻殼由2044個單元、4084個節(jié)點組成;籽實皮由6132個單元、8168個節(jié)點組成;胚乳由5475個單元、26316個節(jié)點組成。1.4接觸界面接觸力接觸-碰撞屬于非線性問題之一,碰撞時,垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的。LS-DYNA程序處理接觸-碰撞界面主要有動態(tài)約束法、分配參數(shù)法、對稱罰函數(shù)法3種不同的算法。動態(tài)約束法采用碰撞和釋放條件的節(jié)點約束法、算法復雜,目前主要用于固連界面,用來將結構網格的不協(xié)調2部分聯(lián)結起來。分配參數(shù)法主要用來處理如爆炸等接觸界面具有相對滑移而不可分開的問題。對稱罰函數(shù)在每一時間步先檢查各從節(jié)點是否穿透主表面,沒有穿透則對該從節(jié)點不作處理,否則引入一個較大的界面接觸力,稱為罰函數(shù)值。接觸力等于接觸剛度K和穿透量δ的乘積,2個物體的穿透量δ與接觸剛度K有關式中,fs為罰因子,k為接觸單元的體積模量,MPa。如果計算時發(fā)現(xiàn)有較大穿透量,可以改變fs的大小,以提高接觸剛度。實踐經驗表明,如果罰因子fs超過1.0,可能會引起計算的不穩(wěn)定。為了分析方便,文中將脫粒元件釘齒設為固定,稻谷以一定的速度飛向脫粒元件,與之碰撞后分離。以脫粒元件表面為從面,稻谷表面為主面,接觸類型為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE考慮摩擦),取接觸罰因子為0.1,脫粒元件與稻谷的摩擦系數(shù)為0.4。稻殼與糙米之間的接觸類型為AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE(考慮摩擦),取接觸罰因子為0.1,稻殼與糙米之間的摩擦系數(shù)也為0.4。根據不同的碰撞速度設定時間步長、中止時間等控制參數(shù)以及定義相關的輸出參數(shù)。2稻米內部損傷稻谷以速度20m/s沿z軸與釘齒對心正碰如圖3所示。碰撞過程中,稻谷內部中心剖面的Z-stress分布如圖4所示,圖中設置了放大倍數(shù),以增強稻谷變形的顯示效果。從稻谷中心剖面中的z-stress應力分布可以看出,在t=54.98μs碰撞開始時刻,稻谷與釘齒接觸區(qū)受壓應力(z-stress為負值),區(qū)域中心處應力值最大,沿四周擴散并逐漸減小。非接觸區(qū)受拉應力(z-stress為正值);隨著時間的增加,壓應力區(qū)域逐漸增大,應力值也同步增加,在t=75.97μs時達到最大壓縮時刻,此時最大壓應力為55.78MPa,稻谷表層最大拉應力為14.83MPa;此后將發(fā)生回彈,稻谷運動速度方向反向,壓應力區(qū)開始縮小,應力值也逐漸減小,但沒有隨稻谷離開釘齒馬上消失,而是以應力波的形式在稻谷內部傳輸,在邊界處發(fā)生反射,應力波在傳播過程中逐步衰減。稻谷內部損傷主要為籽實皮和胚乳受壓應力形成的應力裂紋。最大壓縮時刻,籽實皮和胚乳的VonMises等效應力分布如圖5所示。從圖5a、6a可以看出,接觸區(qū)域為橢圓,應力最大值在接觸區(qū)域中。稻谷與釘齒以20m/s速度碰撞,在最大壓縮時刻籽實皮和胚乳的最大vonmises應力分別為27.5079、26.9712MPa。由理論分析可知,糙米形成應力裂紋等內部損傷的臨界條件是其VonMises應力為單軸壓縮時抗壓強度的1.6倍,稻谷與釘齒以20m/s速度碰撞時,籽實皮和胚乳的最大應力均小于臨界值,故此時稻谷沒有形成內部損傷。稻谷與釘齒以22、24、26、28m/s速度碰撞時,最大壓縮時刻籽實皮和胚乳的VonMises應力如圖5、6所示。不同速度下的最大VonMises應力曲線如圖7所示。從圖7可以看出,隨著碰撞速度的增大,籽實皮和胚乳的VonMises應力值也增加,分布規(guī)律基本相同。由碰撞速度與最大VonMises應力值變化曲線可知,胚乳臨界VonMises應力值31.68MPa對應的碰撞速度約24.2m/s。而籽實皮臨界VonMises應力值63.36MPa對應的碰撞速度要大得多。這表明,稻谷與釘齒碰撞損傷形成的應力裂紋必是從胚乳先開始的,且多數(shù)應力裂紋存在于胚乳內部,無法擴展到籽實皮表面。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),水稻在自然生長過程中,微觀裂紋(下稱微裂紋)廣泛存在且經過胚乳中心或近中心,大多數(shù)以胚乳中心呈放射狀分布。這也為稻谷應力裂紋的擴展提供了可能,因此可以肯定稻谷與釘齒碰撞形成宏觀應力裂紋是從胚乳中心或近中心擴展而成的,這與稻谷在熱、濕應力場下,裂紋從稻谷中心擴展的顯微分析結論相一致。3材料的臨界壓力1)稻谷與釘齒接觸區(qū)域為橢圓,受壓應力作用,應力