馮 帆，徐興平，祖國(guó)強(qiáng)，常漢卿

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580)

在魷魚(yú)切割機(jī)上安裝切割刀具用于切割魷魚(yú)體。這種刀具對(duì)生物軟組織體的作用類似于軟組織手術(shù)過(guò)程[1-3]。刀具幾何參數(shù)不合理可能導(dǎo)致實(shí)際切割作業(yè)中連肉現(xiàn)象的發(fā)生，這在很大程度上降低了切割機(jī)的工作效率和質(zhì)量。

隨著有限元分析的日益發(fā)展，它在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。各企業(yè)采用有限元法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，既提高了設(shè)計(jì)功能，又減少了設(shè)計(jì)成本。

本文首先對(duì)魷魚(yú)肌肉的力學(xué)性能進(jìn)行分析，用桌面電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)魷魚(yú)肌肉進(jìn)行拉伸破壞，得到相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，然后采用有限元軟件ABAQUS對(duì)魷魚(yú)切割機(jī)刀具切割過(guò)程進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)的變化曲線和受力云圖，最后，結(jié)合軟件求解及實(shí)際魷魚(yú)切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)魷魚(yú)切割機(jī)的刀具進(jìn)行分析和選擇，確定刀具的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以保證魷魚(yú)體的切割質(zhì)量。

1 魷魚(yú)切割機(jī)刀具設(shè)計(jì)

本文刀具為沖切刀頭，如圖1所示，采用304不銹鋼材料，力學(xué)參數(shù)中彈性模量E=195 GPa，密度ρ=7 900 kg/m3，泊松比ν=0.247，許用強(qiáng)度197 MPa[4]。刀頭由1個(gè)刀桿及4個(gè)刀片配合而成。刀片形狀設(shè)計(jì)分為6種方案：方案1，下刀面傾角80°，如圖2所示；方案2，下刀面傾角75°，如圖3所示；方案3，下刀面傾角60°，如圖4所示；方案4，下刀面傾角50°，如圖5所示；方案5，下刀面傾角40°，如圖6所示；方案6，下刀面傾角60°，并且側(cè)刀面帶有鋸齒，如圖7所示。上述刀片厚度均為1 mm，用線切割方法將鋼材一次切割成型。

圖1 沖切刀頭

圖2 方案1刀具尺寸圖

圖3 方案2刀具尺寸圖

圖4 方案3刀具尺寸圖

圖5 方案4刀具尺寸圖

圖6 方案5刀具尺寸圖

圖7 方案6刀具尺寸圖

2 魷魚(yú)肌肉的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

魷魚(yú)是生活在水域中的軟體生物，依靠腮進(jìn)行呼吸。許多科學(xué)家對(duì)動(dòng)物體的肌肉進(jìn)行了相關(guān)的研究[5-7]，但是，對(duì)于魷魚(yú)這種特殊魚(yú)類尚未有相關(guān)的研究數(shù)據(jù)。為此，本文進(jìn)行了拉伸破壞試驗(yàn)，測(cè)得所需的力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比等。

2.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

本文采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖8所示，對(duì)魷魚(yú)肌肉進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，并通過(guò)公式，估計(jì)其相應(yīng)的力學(xué)性能。

圖8 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

首先，用刀子將新鮮魷魚(yú)肌肉裁割為矩形條樣。將條樣浸泡于生理鹽水60 min后，用直尺測(cè)量條樣的幾何參數(shù)。

在進(jìn)行條樣松弛實(shí)驗(yàn)之前，經(jīng)過(guò)多次加載-卸載過(guò)程，目的是穩(wěn)定條樣的力學(xué)性能。該實(shí)驗(yàn)在室溫 (15～25 ℃) 下完成。由于大多數(shù)生物軟組織不能嚴(yán)格服從應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此這里忽略載荷速率變化的影響。

在萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)上將經(jīng)過(guò)處理后的魷魚(yú)條樣進(jìn)行固定，隨后逐步施加荷載進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，直至肌肉條樣完全斷裂。每組實(shí)驗(yàn)都要對(duì)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效。

2.3 力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用MATLAB擬合成σ-ε曲線，即得到魷魚(yú)肌肉拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示。

圖9 魷魚(yú)肌肉拉伸破壞的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖可知，魷魚(yú)肌肉條樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系大致分為3部分：第1條OM段，應(yīng)力與形變大約為二次函數(shù)關(guān)系；第2條MN段大致為一條等比例直線，魷魚(yú)條樣的彈性模量E可根據(jù)MN直線的擬合結(jié)果來(lái)確定；第3段NP段曲線呈非線性變化，說(shuō)明魷魚(yú)條樣開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，并在P點(diǎn)達(dá)到強(qiáng)度極限，隨后條樣產(chǎn)生破壞。通過(guò)計(jì)算并結(jié)合圖9分析可知，魷魚(yú)條樣的彈性模量E為4 374 MPa，強(qiáng)度極限為0.25～0.30 MPa。

3 基于ABAQUS的刀具切割魷魚(yú)仿真

3.1 魷魚(yú)切割仿真原理

魷魚(yú)肌肉的切割過(guò)程包含復(fù)雜的彈塑性變形，用經(jīng)典力學(xué)的相關(guān)理論無(wú)法對(duì)其進(jìn)行分析和求解；因此，本文采用ABAQUS對(duì)魷魚(yú)肌肉的切割過(guò)程進(jìn)行分析，以剪切失效和單元?jiǎng)h除方法作為魷魚(yú)體的分離準(zhǔn)則，對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，并對(duì)魷魚(yú)體的切割應(yīng)變、應(yīng)力、動(dòng)能變化、應(yīng)變能變化等進(jìn)行分析。

在分析魷魚(yú)體受力變形時(shí)，將刀具視為剛體結(jié)構(gòu)，對(duì)魷魚(yú)肌肉進(jìn)行切割仿真，并選擇Johnson-cook剪切失效模型。Johnson-cook剪切模型是一種基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變，當(dāng)材料失效參數(shù)ω超過(guò)1時(shí)，軟件認(rèn)定為單元失效。在ABAQUS軟件界面中該部分模型單元將被刪除，即魷魚(yú)體模型發(fā)生分離。

模型中失效參數(shù)定義為

(1)

綜合考慮各因素對(duì)魷魚(yú)材料硬化應(yīng)力的影響，應(yīng)用Johnson-cook等向強(qiáng)化模型，其靜態(tài)屈服應(yīng)力公式為

有效容積為2 000 mL的高壓反應(yīng)釜，燒杯1 000 mL，量筒1 000 mL，電子天平，計(jì)時(shí)器，真空泵，抽濾瓶，熱風(fēng)循環(huán)烘箱，高速粉碎機(jī)，80目標(biāo)準(zhǔn)篩。

(2)

由于Johnson-cook剪切失效模型適用于非線性變化的模型仿真，因此其對(duì)于魷魚(yú)條樣切割過(guò)程的仿真模擬十分適用。

3.2 切割仿真過(guò)程

下面以方案1中的刀具為例對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行探究?？紤]到魷魚(yú)體模型與刀具的前、后刀面均存在約束[8-10]，因此，需要在這2個(gè)接觸對(duì)上設(shè)置接觸與目標(biāo)單元來(lái)模擬整個(gè)接觸過(guò)程。建立如圖10所示的魷魚(yú)體條樣二維模型(模型尺寸為10 mm×5 mm)，并將實(shí)驗(yàn)獲得的彈性模量、泊松比等參數(shù)帶入模型中。對(duì)魷魚(yú)條樣模型采用穩(wěn)定性較好的 CPE4R一階線性減縮平面四邊形單元，并將刀具設(shè)置為解析剛體。關(guān)于約束，要在條樣模型的右側(cè)和底部約束全部自由度，使之完全固定。

圖10 二維切割模型的建立

在Load模塊中，刀具右端施加豎直向下的位移，刀具以給定的速度(-120 mm/s)向下移動(dòng)，形成切割過(guò)程，該切割過(guò)程中將應(yīng)用軟件自帶的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。

魷魚(yú)體的分離過(guò)程通過(guò)ABAQUS/explicit中的單元?jiǎng)h除及材料失效準(zhǔn)則的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)魷魚(yú)體的切割達(dá)到分離準(zhǔn)則時(shí)，失效單元會(huì)被刪除并將不再承載應(yīng)變或應(yīng)力，隨著此過(guò)程的不斷進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)魷魚(yú)體的完全分離。

3.3 仿真結(jié)果分析

刀具切割魷魚(yú)體仿真過(guò)程的受力云圖如圖11所示。

圖11 仿真過(guò)程受力云圖

經(jīng)過(guò)后處理的魷魚(yú)體Mises應(yīng)力、動(dòng)能以及應(yīng)變能沿?cái)嗔堰吙p節(jié)點(diǎn)路徑的變化情況如圖12—14所示。

圖12 Mises應(yīng)力沿?cái)嗔压?jié)點(diǎn)路徑變化曲線

圖13 動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

圖14 應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線

3.4 刀具切割綜合分析

同理可得方案1至方案6刀具仿真過(guò)程，各方案刀具仿真受力變形云圖如圖15—20所示。

圖15 方案1云圖

圖16 方案2云圖

圖17 方案3云圖

圖18 方案4云圖

圖19 方案5云圖

圖20 方案6云圖

6種方案刀具動(dòng)能、應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線情況如圖21—22所示。

圖21 動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線

圖22 應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線

讀取曲線數(shù)值，可得動(dòng)能隨時(shí)間變化曲線峰值大小為(Tool后面序號(hào)代表方案號(hào))：

Tool-1，Ymax=2.141×107；Tool-2，Ymax=2.145×107；Tool-3，Ymax=2.163×107；Tool-4，Ymax=2.155×107；Tool-5，Ymax=2.143×107；Tool-6，Ymax=9.099×107。

應(yīng)變能隨時(shí)間變化曲線峰值大小為：

Tool-1，Ymax=7.368×107；Tool-2，Ymax=7.894×107；Tool-3，Ymax=8.100×107；Tool-4，Ymax=7.998×107；Tool-5，Ymax=7.723×107；Tool-6，Ymax=1.398×108。

根據(jù)仿真結(jié)果及魷魚(yú)切割實(shí)驗(yàn)，如圖23—24所示，首先對(duì)利用方案1—5進(jìn)行切割的情況進(jìn)行分析。方案1—5刀具的下刀面傾角依次減小。在仿真模擬中：方案1至方案3刀具的動(dòng)能、應(yīng)變能依次增大；方案4刀具的動(dòng)能、應(yīng)變能略小于方案4刀具，大于方案2刀具；方案5刀具的動(dòng)能、應(yīng)變能僅大于方案1刀具。這說(shuō)明刀具的動(dòng)能、應(yīng)變能先增大后變小，刀具下刀面傾角為50°～60°時(shí)可獲得較大的動(dòng)能、應(yīng)變能。

圖23 魷魚(yú)切割實(shí)驗(yàn) 圖24 切割效果圖

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，5種方案均出現(xiàn)了連肉現(xiàn)象，方案1、方案5的現(xiàn)象較為明顯，方案3、方案4的現(xiàn)象較輕，這表明較大的動(dòng)能和應(yīng)變能有利于魷魚(yú)體的切割，在進(jìn)行魷魚(yú)切割作業(yè)時(shí)可安裝下刀面傾角為50°～60°的刀具以保證最佳效果。

為進(jìn)一步研究鋸齒對(duì)切割作業(yè)的影響，本文對(duì)下傾角同為60°的方案3無(wú)鋸齒刀具、方案6鋸齒狀刀具進(jìn)行分析。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，利用方案6的鋸齒狀刀具進(jìn)行魷魚(yú)體切割時(shí)，極少發(fā)生連肉現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果體現(xiàn)為方案6刀具的動(dòng)能、應(yīng)變能明顯大于方案3刀具，且方案6刀具的應(yīng)變能出現(xiàn)了較大波動(dòng)。這說(shuō)明刀具鋸齒可以產(chǎn)生較大動(dòng)能、應(yīng)變能及大振幅能量波動(dòng)，更有利于魷魚(yú)體的切割?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，在優(yōu)化下刀面傾角的基礎(chǔ)上，可以選擇鋸齒刀具，以解決其他刀具易發(fā)生連肉的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)魷魚(yú)切割機(jī)進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)連肉的現(xiàn)象，本文提出了一種利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲取相關(guān)力學(xué)參數(shù)，用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，結(jié)合軟件求解結(jié)果及實(shí)際魷魚(yú)切割情況選擇刀具幾何參數(shù)的方法。分析結(jié)果表明：下刀面傾角為50°～60°的刀具提供的動(dòng)能、應(yīng)變能較大；傾角在這個(gè)區(qū)間內(nèi)且?guī)в袖忼X的刀具不僅會(huì)提供更大的動(dòng)能、應(yīng)變能，而且會(huì)產(chǎn)生大振幅能量波動(dòng)，能大幅降低連肉現(xiàn)象的發(fā)生。按此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)的刀具，能充分提高魷魚(yú)切割機(jī)的工作效率及魷魚(yú)體的切割質(zhì)量，并且進(jìn)一步降低勞動(dòng)力投入，為海洋產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)提供有力幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳帥，鄭津津．一種用于實(shí)時(shí)軟組織變形仿真的有限元模型[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015,28(7):117-118.

[2] 山君良，司偉鑫，李小萌，等．交互式基于點(diǎn)的外科手術(shù)軟組織變形仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015,27(10):2380-2386.

[3] 高瞻，潘飛，王杰華，等．虛擬軟組織針刺與力覺(jué)交互[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015,27(10):2453-2459.

[4] 王建青，宋云濤，武松濤，等．ITER 磁體過(guò)渡饋線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]．核技術(shù)，2006(4):271-275.

[5] GREVEN H，ZANGER K，SCHWINGER G．Mechanical properties of the skin of Xenopus laevis(Anura Amphibia)[J].Journal of Morphology，1995，224(1)：15．

[6] FUNG Y C．Biomechanics: Mechanical of living tissues[M]. Berlin, Germany： Springer，1993．

[7] MOSS R L．Elastic and viscous properties of resting frog skeletal muscle[J]．Biophysical Journal，1977，17(3)：213-228.

[8] 戚寶運(yùn)，李亮，何寧，等．表面織構(gòu)在刀具減磨技術(shù)中的應(yīng)用[J]．工具技術(shù)，2010，44(12)：3-6．

[9] 戴振東，佟金，任露泉，等．仿生摩擦學(xué)研究及發(fā)展[J].科學(xué)通報(bào)，2006,51(20):2353-2359.

[10] 韓志武，任露泉，劉祖斌．激光織構(gòu)仿生非光滑表面抗磨性能研究[J]．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(4)：289-293．