頓國強(qiáng) ，陳海濤，紀(jì)文義

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

基于EDEM仿真與SolidWorksSimulation的鑿式深松鏟有限元分析

頓國強(qiáng)1，陳海濤2，紀(jì)文義2

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

應(yīng)用EDEM建立了鑿式深松鏟的土壤深松離散元仿真模型，并對其土壤深松過程進(jìn)行模擬仿真，獲得深松鏟耕作阻力載荷數(shù)據(jù)，應(yīng)用SolidWorks Simulation對深松鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，獲得模型的應(yīng)力分布及變形位移。結(jié)果表明，模型的應(yīng)力集中主要位于深松鏟尖與鏟柄的連接處，且模型最大應(yīng)力88.6 MPa，小于材料用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計要求；同時，對深松鏟進(jìn)行恒幅疲勞分析，疲勞分析損壞百分比為1.668 %，疲勞生命周期4.16萬h，滿足疲勞分析強(qiáng)度設(shè)計要求。

鑿式深松鏟；EDEM；SolidWorks Simulation；有限元分析；疲勞

保護(hù)性耕作技術(shù)通過采用深松、少耕及免耕播種技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耕翻式整地技術(shù)，可有效提高土壤的蓄水保墑、抗旱、抗水蝕風(fēng)蝕能力，提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力[1-2]。而深松作為保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)，深松鏟的可靠與否直接影響機(jī)具的作業(yè)性能，國內(nèi)外學(xué)者通常采用仿生設(shè)計、離散元仿真、有限元仿真及試驗(yàn)研究等方法，對深松鏟進(jìn)行研究[3-8]。白景峰等[3]設(shè)計了狗獾爪趾式仿生深松鏟，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李博等[4]利用離散元法進(jìn)行了深松鏟耕作阻力因素響應(yīng)模擬分析研究；張強(qiáng)等[5]利用有限元法對仿生鉤形深松鏟耕作阻力進(jìn)行分析研究及試驗(yàn)驗(yàn)證；王景立等[6]利用ANSYS Workbench的進(jìn)行了弧形深松鏟模態(tài)分析研究；王宏立等[7]利用Pro/E和ANSYS對深松鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析；齊關(guān)宇等[8]采用試驗(yàn)的方法研究了入土深度及鏟形對深松鏟耕作阻力的影響。通過虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對深松鏟進(jìn)行設(shè)計研究具有縮短研發(fā)周期降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)，目前未見采用多種仿真技術(shù)集成的方法對深松鏟的設(shè)計研究。本研究基于采用EDEM所建立鑿式深松鏟的離散元仿真模型提取的載荷數(shù)據(jù)，利用SolidWorks Simulation對深松鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)及疲勞強(qiáng)度分析。

1 深松鏟土壤深松的EDEM仿真

1.1顆粒接觸模型

為描述深松鏟土壤深松過程中土壤顆粒間及土壤顆粒與接觸部件間的瞬態(tài)力學(xué)行為，EDEM系統(tǒng)默認(rèn)多種接觸力學(xué)模型，以模擬不同的離散顆粒，以EDEM2.4版本為例，其主要有Hertz-Mindlin (no slip) with RVD rolling friction、Hertz-Mindlin (no slip) Hertz-Mindlin with Heat Conduction、Hertz-Mindlin with Bonding及Hertz-Mindlin with JKR Cohesion等[9-10]。本研究采用系統(tǒng)默認(rèn)的Hertz-Mindlin (no slip)接觸力學(xué)模型[11-12]，此接觸模型的法向及切向力由Hertz接觸理論及Mindlin模型確定，且載荷包括由阻尼系數(shù)及恢復(fù)系數(shù)確定的阻尼分量，切向摩擦力庫倫摩擦定律確定，此模型具有較高的計算精度，顆粒單元(Hertz-Mindlin)接觸力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 顆粒接觸力學(xué)模型Fig.1 Model of particle contact forces

(1)

(2)

顆粒接觸切向力及切向阻尼力由切向交疊量及切向剛度確定，其接觸法向力表達(dá)式為

F法=-2·δ法·S法

(3)

(4)

1.2深松鏟土壤深松過程仿真

參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[13]，按適用30 cm深松鏟標(biāo)準(zhǔn)GB/T9788—1999，利用SolidWorks 2009建立鑿形深松鏟的三維實(shí)體模型，如圖2所示，并將深松鏟模型另存為.igs格式文件。

圖2 深松鏟三維實(shí)體模型Fig.2 Deep shovel 3D model

利用EDEM 2.4建立鑿式深松鏟的離散元仿真算例，選用Hertz-mindlin(no-slip)模型定義土壤顆粒之間、土壤顆粒與深松鏟及土槽之間的顆粒接觸力，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10,14]，確定模型仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

為真實(shí)模擬深松鏟的土壤深松過程，保證運(yùn)算結(jié)果正確的基礎(chǔ)上，盡量降低計算機(jī)的運(yùn)算量，土壤顆粒采用球體建模，顆粒半徑5 mm，軟件自動計算土壤顆粒的質(zhì)量屬性，并將上述建立的深松鏟實(shí)體模型導(dǎo)入EDEM仿真算例模型，設(shè)定深松鏟的作業(yè)速度為1 m·s-1，方向?yàn)閤軸負(fù)向，z軸負(fù)向?yàn)橹亓铀俣确较颍瑫r建立顆粒工廠及土槽實(shí)體模型，土壤顆粒數(shù)量40 000，生成速度z軸負(fù)向5 m·s-1，生成速率100 000個·s-1，仿真步長5.831 9 e-5 s，記錄數(shù)據(jù)時間間隔0.000 5 s，則深松鏟的土壤深松離散元仿真模型如圖3所示。

表1 模型仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters setting of model simulation

圖3 深松鏟離散元仿真模型Fig.3 Chisel-type deep shovel discrete elementsimulation model

利用EDEM 2.4后處理模塊提取鑿式深松鏟的土壤深松過程的土壤絕對耕作阻力及其各軸方向分量如圖除茬刀齒土壤切削過程的絕對土壤耕作阻力及其各軸分量數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，鑿式深松鏟的土壤耕作阻力隨著時間的推移，由0開始逐漸增大，其中，絕對土壤耕作阻力與其x軸分量具有相同的變化趨勢，兩力值的變化范圍為150～375 N之間；z軸分量為負(fù)值，即土壤對深松鏟的豎直方向阻力向下，深松鏟有自行入土的功能，且其力值在-110～-240 N范圍內(nèi)變動；y軸分量數(shù)據(jù)在±50 N范圍內(nèi)波動；且所有載荷數(shù)據(jù)在0.7 s后趨于穩(wěn)定；深松鏟的土壤耕作阻力統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

圖4 深松鏟土壤耕作阻力Fig.4 Chisel-type deep shovel soil cutting force

表2 載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Statistic of loading data

2 深松鏟Simulation有限元分析

2.1有限元靜力學(xué)分析

利用SolidWorks Simulation創(chuàng)建鑿式深松鏟有限元靜力學(xué)分析算例，為實(shí)現(xiàn)深松鏟三維實(shí)體模型網(wǎng)格的合理劃分，消除模型邊角處的圓角結(jié)構(gòu)。同時，為準(zhǔn)確模擬安裝結(jié)構(gòu)的正確性及外部載荷加載的合理性，需對深松鏟的載荷承載處(鑿形深松鏟的上鏟面)及約束部位(鏟柄上端的前后接觸面)進(jìn)行分割線劃分，定義深松鏟的材料屬性[15]為65 Mn,材料密度7.81×103kg·m-3,楊氏模量190 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度430 MPa，查閱相關(guān)資料[16]，定義材料的“應(yīng)力-壽命(S-N)曲線”。對鏟柄處施加固定約束，將表2通過仿真獲得深松鏟載荷最大值加載到深松鏟的載荷加載面上，并采用系統(tǒng)默認(rèn)的線性空間四面體對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用“自動過度”特征對模型局部細(xì)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)21 679，劃分網(wǎng)格數(shù)為13 035，鑿式深松鏟的有限元預(yù)處理模型如圖5所示。

圖5 深松鏟有限元預(yù)處理模型Fig.5 Pretreatment of chisel-type deep shovelfinite element simulation model

設(shè)置模型解算器為FFEPlus，其具有運(yùn)行速度快，穩(wěn)定且可靠的特點(diǎn)，求解運(yùn)算算例，得出鑿式深松鏟最大入土深度加載下的應(yīng)力及變形云圖如圖6、圖7所示。

圖6 深松鏟應(yīng)力云圖Fig.6 Chisel-type deep shovel stress nephogram

由圖6深松鏟模型應(yīng)力云圖可知，模型的應(yīng)力集中部位主要位于深松鏟鏟尖與鏟柄的連接處及鏟柄上端約束面的下端處，且模型的最大應(yīng)力值為88.6 MPa，小于材料65 Mn的許用應(yīng)力430 MPa；由圖7模型變形云圖可知，深松鏟的變形由鏟尖到鏟柄方向逐漸減小，模型最大變形處位于鏟尖的端部，最大變形位移1.354 mm，綜上所述，鑿式深松鏟的強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計要求。

圖7 深松鏟變形云圖Fig.7 Deep shovel deformation nephogram

2.2有限元疲勞分析

金屬零件在承受小于許用應(yīng)力的交變載荷的連續(xù)作用下所發(fā)生的破壞現(xiàn)象稱為疲勞，即外部載荷的每個循環(huán)加載都會或多或少對零件產(chǎn)生損壞，當(dāng)損壞累積到一定的程度，零件強(qiáng)度變得越來越弱，直至破壞。在對零件進(jìn)行有限元疲勞分析時，首先需對其進(jìn)行有限元靜力學(xué)、熱力學(xué)分析，在滿足上述分析算例強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞分析。零件的疲勞破壞主要由其材料屬性，外部載荷類型及零件結(jié)構(gòu)形式等因素決定，SolidWorks Simulation采用基于“應(yīng)力-壽命(S-N)曲線”較小交變應(yīng)力載荷的高周疲勞分析方法，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)高達(dá)106，且S-N曲線用以描述零件疲勞應(yīng)力載荷與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系函數(shù)。

創(chuàng)建深松鏟疲勞分析算例，以恒振幅事件恒定循環(huán)為模型算例屬性，設(shè)定“恒定振幅事件交互作用” 類型為“隨意交互作用”，“交替應(yīng)力手段”為“對等應(yīng)力(Von Mises)”，“平均應(yīng)力糾正”選用適合韌性材料的“Gerber應(yīng)力修正算法”[17]，基于上述有限元靜力學(xué)分析算例，循環(huán)次數(shù)10 000，“負(fù)載類型”為[LR=0]，疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf=1，運(yùn)行疲勞算例，獲取模型“損壞”及“壽命”云圖如圖8所示。

損壞圖解表征材料的壽命損壞程度，其值稱為破壞因子，表征壽命耗損百分比，值越小越好，當(dāng)其大于1時，零件發(fā)生疲勞破壞，由圖8(a)深松鏟模型的疲勞損壞圖解可知，模型的損壞百分比范圍1.667%～1.668%，深松鏟破壞因子最大值為1.668%，小于1，深松鏟設(shè)計是安全的。由圖8(b)可知，深松鏟的生命周期為6.0e+7次，生命周期表征零件發(fā)生疲勞破壞的最大循環(huán)次數(shù)，由上述深松鏟土壤深松離散元仿真過程時段長1 s，設(shè)定其出現(xiàn)極限載荷次數(shù)1，則由上述數(shù)據(jù)可計算深松鏟的最小無故障作業(yè)時間為4.16萬h。

a.損壞云圖a.Damage nephogram

b.壽命云圖b.Life nephogram

3 結(jié)論

應(yīng)用EDEM建立了鑿式深松鏟的土壤深松離散元仿真模型，對其土壤深松過程進(jìn)行模擬仿真，獲得深松鏟耕作阻力載荷數(shù)據(jù)。應(yīng)用SolidWorks Simulation對深松鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，模型的應(yīng)力集中主要位于深松鏟尖與鏟柄的連接處，且模型最大應(yīng)力為88.6 MPa，小于材料用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計要求；同時，對深松鏟進(jìn)行橫幅疲勞分析，疲勞分析損壞百分比1.668 %，疲勞生命周期4.16萬h，滿足疲勞分析強(qiáng)度設(shè)計要求。

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(責(zé)任編輯：蔣國良)

Finiteelementanalysisofchisel-typedeepshovelbasedonEDEMandSolidWorksSimulation

DUN Guoqiang1, CHEN Haitao2, JI Wenyi2

(1.College of Mechtronic Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Chisel-type deep shovel soil loosening discrete element simulation model has been built by using EDEM software, and the soil loosening process has been simulated, and the shovel soil tillage force data were obtained. On this basis, deep shovel finite element static analysis has been conducted by SolidWorks Simulation, and the model stress distribution and deformation displacement was obtaimed. The results indicated that the model stress concentration happens on the junction of tine point and shovel handle, and the max stress is 88.6 MPa, smaller than the allowable stress, which can meet the stress design requirement. Meanwhile, constant amplitude fatigue analysis has been done, and the fatigue damage percentage is 1.668 %, and fatigue lifecycle is 41 600 hours, which can meet the fatigue strength design requirement.

chisel-type deep shovel；EDEM；SolidWorks Simulation；FEA；fatigue

2017-01-16

中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)(學(xué)科)和特色發(fā)展引導(dǎo)專項(xiàng)資金暨雙一流經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(41112417)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572017BB10)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201303011)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(GARS-04)

頓國強(qiáng)(1986-)，男，黑龍江依蘭人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)及林業(yè)機(jī)械裝備研究。

1000-2340(2017)05-0678-05

S223.2

A